《基于PLC的煙霧流量控制系統(tǒng)設計》13000字（論文）

目錄頁共=numpages34-331頁第一章引言1.1選題背景及研究意義根據(jù)市場的調(diào)研，目前的市面上的大型煙機控制屬于集成式，通過電動機對場地的煙霧進行統(tǒng)一排放，直至工作場地的煙霧濃度值達到標準值，此過程需要人工干預，并且對需要現(xiàn)場控制。該過程存在效率低，無法自動完成，自動化成都低。再者就是自然排煙，通過管道將煙霧自然排除，該過程不需要人工干預且成本低，適用于小型工作場地，依靠自然氣壓和氣體密度差實現(xiàn)有效排煙，但也因此排煙效率受自然環(huán)境和煙霧整體密度影響。對于大型場地，例如養(yǎng)殖流水線，生產(chǎn)車間和集中供暖等工作場地，對煙霧排放的需求較高，并且煙霧成分復雜，且工作場地大，需要實現(xiàn)多個工作場地的集中管理，和完成集中控制。這樣就需要用到可編程控制器。通過傳感器將信號輸入組態(tài)軟件MCGS中，完全實現(xiàn)對宗座場地以及環(huán)境的監(jiān)控，操作，運行。煙霧流量控制在重金屬冶煉，農(nóng)場養(yǎng)殖場所有著廣泛的使用，但是控制系統(tǒng)存在多種繼電器且效率低的弊端?；诮M態(tài)軟件和PLC的煙霧流量控制系統(tǒng)采用S7-200PLC實現(xiàn)對煙霧電動機的控制。采取PLC控制，提高了排煙控流的效率，進而改善煙霧電動機的穩(wěn)定可靠性，使得該系統(tǒng)更為精確高效。本文確定了煙霧流量控制系統(tǒng)的總體方案，基于模糊控制的方法，著重設計煙霧控制系統(tǒng)的算法和程序編寫，并連接MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)全時段監(jiān)控。該方案不僅取代了復雜的繼電器電路，還能夠?qū)崿F(xiàn)控制的現(xiàn)代化。1.2國內(nèi)外流量控制技術的發(fā)展和研究概況工業(yè)的迅速發(fā)展，技術的革新，微電子和計算機完成了與自動控制理論的結合，因此在國外產(chǎn)出了一系列的商品化的溫度控制器。該型控制器在各個行業(yè)得到了廣泛的應用。數(shù)據(jù)遲滯，使得溫度控制不那么靈敏和高效，不能夠有效的建立溫度的數(shù)字模型，并且過程復雜都是這一系列的溫度控制器的弊端。因此近些年來可以自動自動適應，能夠自動矯正數(shù)據(jù)等先進算法稱為當今溫度控制器的主流。該方案普遍具有參數(shù)整定的功能，能夠自主學習并完善系統(tǒng)，并能都接受反饋信號，這些特點保證了它的控制效果，并且具有極度高，抗干擾能力強等特點。當下，國外的溫度控制系統(tǒng)朝著高精度，模塊化的方向發(fā)展。溫度的控制系統(tǒng)在國內(nèi)也有著廣泛的市場，總體發(fā)展水平處于前列，成熟的溫度控制系統(tǒng)更受市場的青睞，隨著科技的進步，溫度控制更加靈敏，智能化的溫度控制系統(tǒng)是其的發(fā)展方向。1.3課題內(nèi)容基于PLC的流量控制系統(tǒng)以本畢業(yè)設計以SIMATICS-200為核心通過CPU224XP完成對工作場地的煙霧控制。其中將系列CPU224XP進行現(xiàn)場控制，應用單閉環(huán)控制，使用擴展的模塊EM235（AI4/AQ1*12位）采集并量化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，內(nèi)部運算實現(xiàn)給定量與設計量的相減進而輸入到執(zhí)行器當中，由此形成了閉環(huán)。采取增量式PID不僅可以對系統(tǒng)影響小，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)更好的在手動與自動模式之間的切換，并且增量式控制不產(chǎn)生積分失控，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本次課題中我們使用MCGS作為我們的監(jiān)視控制軟件，MCGS監(jiān)視控制系統(tǒng)MCGS，在監(jiān)測領域有著舉足輕重的地位，基于微軟系統(tǒng)它可以實現(xiàn)與本次課題中的PLC實現(xiàn)聯(lián)機下載，在本次課題中實現(xiàn)對工作場地中電動機組的統(tǒng)一管理個監(jiān)控。MCGS具有功能相對完善、易于操作、頁面布局規(guī)整、對后期軟件維護和產(chǎn)品升級較為友好?？删幊炭刂破鳎≒rogrammablelogicController）出現(xiàn)實現(xiàn)對工業(yè)的自動控制，PLC架構于數(shù)字運算的操作系統(tǒng)上。以數(shù)字電子技術對工業(yè)場地的設備進行統(tǒng)籌，管理。目的完全解決對多設備場所的集中管理和控制，他的出現(xiàn)不僅提高了生產(chǎn)力，與此同時實現(xiàn)工作效率的提高。一款成熟的PLC包含多種指令，實現(xiàn)邏輯，順序，計時計數(shù)的基本指令，與此同時還提供循環(huán)等高級指令。其根本是一款可編程的控制器并且能夠?qū)崿F(xiàn)控制各種各樣的機械，這種控制是通過PLC的數(shù)字式和模擬式的輸入與輸出。隨著科技的高速發(fā)展，PLC逐漸替代各種繼電器，廣泛使用PLC使其更能實現(xiàn)對外圍設備的兼容，并形成完整的機械生產(chǎn)線。其本身擁有者眾多的選擇余地，根據(jù)現(xiàn)場的不同需求對PLC的模塊進行選擇，造就了PLC的普適性，簡便性。本畢業(yè)設計著重研究PLC控制技術在煙霧流量控制系統(tǒng)上的應用。包括研究及選擇該系統(tǒng)的硬件配置、設計分析電路圖、編寫編譯程序，增量式PID控制算法的選擇和參數(shù)的整定，設計人機交互界面等。該系統(tǒng)中采用西門子的S7-200的PLC，其中接受煙霧傳感器的煙霧濃度模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，進行PID的調(diào)節(jié)，PID控制器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量傳送到變頻器，通過改變煙霧電動機組的工作頻率實現(xiàn)對煙霧流量的控制。同時利用組態(tài)軟件實現(xiàn)全時段的監(jiān)控?？傮w上包括以下幾種步驟：硬件選型設計，軟件編程編譯，人機交互界面設計。設計共分為七個章節(jié)，主要包括以下方面：第一章節(jié)緒論。煙霧流量控制系統(tǒng)的背景及發(fā)展前景，并直接指出課題內(nèi)容的意義。第二章節(jié)PLC介紹，簡單概述PLC和增量式PID控制的基本概念以及該系統(tǒng)的結構基礎。第三章，從設計結構和煙霧控制系統(tǒng)的硬件設計的角度，概述PLC控制系統(tǒng)的具體步驟，PLC的選型，外圍電路的連接和設計，煙霧控制系統(tǒng)的設計和參數(shù)整定。第四章，完成選型和硬件配置后，詳細介紹煙霧控制系統(tǒng)PLC部分的程序設計編程軟件STEP7--Micro/WIN使用。第五章，詳細介紹了如何在亞控公司的組態(tài)軟件“組態(tài)王”的基礎上進行人機界面的設計。第六章，展示結果分析結論。第七章，總結。第二章PLC簡介2.1PLC簡介可編程控制器（ProgrammablelogicController）出現(xiàn)實現(xiàn)對工業(yè)的自動控制，PLC架構于數(shù)字運算的操作系統(tǒng)上。以數(shù)字電子技術對工業(yè)場地的設備進行統(tǒng)籌，管理。目的完全解決對多設備場所的集中管理和控制，他的出現(xiàn)不僅提高了生產(chǎn)力，與此同時實現(xiàn)工作效率的提高。一款成熟的PLC包含多種指令，實現(xiàn)邏輯，順序，計時計數(shù)的基本指令，與此同時還提供循環(huán)等高級指令。其根本是一款可編程的控制器并且能夠?qū)崿F(xiàn)控制各種各樣的機械，這種控制是通過PLC的數(shù)字式和模擬式的輸入與輸出。隨著科技的高速發(fā)展，PLC逐漸替代各種繼電器，廣泛使用PLC使其更能實現(xiàn)對外圍設備的兼容，并形成完整的機械生產(chǎn)線。其本身擁有者眾多的選擇余地，根據(jù)現(xiàn)場的不同需求對PLC的模塊進行選擇，造就了PLC的普適性，簡便性。2.2PLC特點（1）PLC運行穩(wěn)定，具有較高的可靠性，較強的抗干擾性在整個電氣控制系統(tǒng)中，高抗和可靠安全是整個系統(tǒng)的合格與否的重要指標。PLC使用了現(xiàn)代化的技術，及大規(guī)模的集成電路技術，PLC的生產(chǎn)工藝極為嚴苛，采取了先進的抗干擾技術，因此才具備安全與可靠性。（2）PLC設備的配套種類多且全面，功能強大，具有普適性現(xiàn)代PLC發(fā)展，已經(jīng)有了不同大小，不同種類，不同規(guī)模的一系列產(chǎn)品。適用于不同的工作場地以及工作需求。PLC不僅有著邏輯處理的能力，還對數(shù)據(jù)運算有著相對可靠的功能，適用于多種數(shù)字控制領域。在特殊需求上還可以添加不同的擴展單元，例如位置的控制，溫度的控制等。外加上PLC有著強大的通信能力實現(xiàn)了與人機界面的結合，使得PLC的使用更加簡便。操作簡單，易于編程，電氣工程應用廣泛PLC是一種的通用的工業(yè)控制的小型計算機。面向多種重工業(yè)控制技術場合。有著豐富的接口，較強的通信能力，編程的語言也受到了技術工人的青睞。其中梯形圖語言的編寫與繼電器電路非常相近。所以用PLC的少量的開關量就可以實現(xiàn)多個繼電器的替代。使得不熟悉電子電路的技術人員也可以從事工業(yè)控制的技術。（4）系統(tǒng)搭建，后期維護升級容易PLC內(nèi)部的存儲邏輯實現(xiàn)對接線的替代，一方面減少了外部控制的接線，另一方面使得系統(tǒng)的搭建周期減少，讓后期維護時的工作人員更見容易。（5）PLC體積小，占地小節(jié)省空間，能耗低在市面上最小的PLC底部尺寸100mm，然而他的重量僅僅150g，這也就代表這此類型的PLC功耗極低。PLC的未來發(fā)展方向：（1）高速型PLC，且具有大容量存儲對PLC的處理能力的需求，高速的處理能力需要PLC具有更高的響應能力，并且有更大的存儲空間。當前，PLC的掃描速度普遍為0.1ms/k。我們知道掃描速度是衡量一個PLC優(yōu)秀與否的重要指標。大型，超大型PLC的發(fā)展，以及小型和超小型的PLC目前市場上絕大多數(shù)是中小型的PLC系統(tǒng)，但是這種PLC不能完成更為復雜的軟件設計，因此在現(xiàn)階段急需超大型的PLC。目前現(xiàn)存的大型PLC中有14336個輸入輸出點，并且使用32位的微型處理器，實現(xiàn)多個CPU并行和擁有大容量的存儲功能。PLC通信更強大，能夠聯(lián)網(wǎng)通信因各種自動化控制的需求不同，PLC也發(fā)展出不同的擴展模塊，遠程的I/O模塊和通信和人機接口模塊，這些不同的擴展模塊的靈活使用擴展了PLC的功能。使得PLC更為廣泛的被使用。（4）實現(xiàn)故障檢測，以及簡單的故障處理（5）編程語言多樣化。2.3PID控制PID控制是模擬控制系統(tǒng)最常用的控制方法之一。PID控制系統(tǒng)原理框圖如所示，系統(tǒng)由PID控制器和被控對象組成。比例比例R(t)++Y(t)微分積分被控對象+_U(t)圖2.1常規(guī)PID控制原理圖選用了含PID調(diào)節(jié)的PLC來實現(xiàn)閉環(huán)控制保證煙霧流量控制系統(tǒng)中的煙霧濃度恒定。在PID控制中我們的控制輸入量手段為比例，積分和微分這三種模式。PID控制起到的是反饋作用，是一種自動控制技術，愛過程通過測量值和給定值的比較差反饋給現(xiàn)有的煙霧流量控制系統(tǒng)?；诜答佇盘栍脕砑m正并調(diào)節(jié)整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)即響應。因此對于PID控制成為一種線性控制器。因此在計算公式中，用給定值和實際輸出值的差表示偏差值。公式如下：（2-1）PID控制規(guī)律為：（2-2）Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。相應的傳遞函數(shù)形式：（2-3）PID控制器不同環(huán)節(jié)下的作用以及調(diào)節(jié)模式：(1)比例環(huán)節(jié)：在PID控制器中，偏差信號被成比例的反應，界定PID控制器的控制作用，用給定值與實際輸出值的偏差來激活PID控制器的控制作用，魚翅同時PID控制器抑制給定值與實際輸出值的偏差，起到負反饋的作用，與此同時，給定值與實際輸出值的偏差不能被徹底消除，這種偏差就成為系統(tǒng)偏差，其結果隨著比例系數(shù)的正大而減小，即成反比例關系，然而對比例系數(shù)不宜過大，過大的比例系數(shù)極易引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，使得系統(tǒng)處于紊亂的狀態(tài)。(2)積分環(huán)節(jié)：當給定值和實際輸出值存在偏差時，對于PID控制器就會起作用，其目的就是完全抑制偏差，因此控制器的輸出與偏差持續(xù)的時間有關。積分環(huán)節(jié)中積分作用的大小和積分時間有關，同樣與時間常數(shù)成反比，對于積分作用的積分時間不能短，積分作用越強就可能引起系統(tǒng)的振蕩。(3)微分環(huán)節(jié)本課題采用的PID控制原理如圖所示，給定流量經(jīng)過PID運算，得出相應結果送入變頻器，進而改變電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)對煙霧濃度的控制，并將信號反饋于控制器。y(t)比例y(t)比例積分微分給定流量r(t)e(t)頻率u(t)變頻器電機變頻流量轉(zhuǎn)速煙量變送器—圖2.2PID控制原理框圖2.4PLC編程軟件本次課題采用西門子的PLC，使用西門子旗下的仿真軟件STEP7-Micro/WIN。STEP7-Micro/WIN是西門子專為SIMATIC系列S7-200設計編程軟件，該編程軟件滿足了個人計算機對系統(tǒng)進行操作和圖形編輯的需求。STEP7-Micro/WIN基于微軟的操作平臺：該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)在離線的狀態(tài)下創(chuàng)建用戶程序，并且能夠以編輯和加以修改。脫機的狀態(tài)下計算機沒有和現(xiàn)場PLC進行連接，在計算機中對應用程序進行編譯，調(diào)試的所有程序都不會被傳輸進PLC的存儲器中。2.當編輯好程序后在計算機中進行調(diào)試仿真后通過傳輸線聯(lián)機通信，上傳和下載用戶程序，并在可以對PLC進行直接操作。3.仿真軟件可以在編譯程序時對程序進行檢查，并標記處不合理的地方以便于后期的語法更正。因此軟件存在語法檢查的功能，這樣就不會產(chǎn)生直接下載后對操作系統(tǒng)因程序錯誤而產(chǎn)生的機械故障。4.仿真軟件中還提供了對計算機中的用戶程序進行加密管理的功能，使得更加安全。第三章PLC系統(tǒng)的硬件設計3.1系統(tǒng)設備的選型根據(jù)系統(tǒng)理論分析，需要對PLC選型，PLC的擴展模塊選型，變頻器，三相異步電動機組，流量計，流量傳感器，煙霧檢測傳感器，溫度傳感器，光敏傳感器等一系列傳感器組件。表3.1硬件選擇主要設備型號及其生產(chǎn)廠家可編程控制器（PLC）SiemensCPU226模擬量擴展模塊SiemensEM235變頻器SiemensMM4403.1.1PLC選型PLC能過完成對整個系統(tǒng)的輸入信號采集，與此同時輸出對各個單元的控制信號，并實現(xiàn)對整個PLC煙霧流量控制系統(tǒng)的對外數(shù)據(jù)交換，完成對上位機中的組態(tài)軟件的信號傳輸功能，由此能夠全時段的監(jiān)控全系統(tǒng)。從分析中不難看出PLC是厭惡流量控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，也是完成監(jiān)控控制的重要組成部分。PLC選型時我們要考慮PLC系統(tǒng)中指令的豐富程度，以便于我們?nèi)蘸蟮南到y(tǒng)升級核對更多的系統(tǒng)兼容。因工作場地需求要考慮其執(zhí)行速度，信號傳輸?shù)目炻瑑?nèi)部的存儲空間，通信接口和通信協(xié)議，擴展模塊的帶載能力，后期變成軟件的簡易程度和完成該系統(tǒng)的資金要求等多方面因素。對于煙霧流量控制我們不需要其有過多的指令，選擇更為親民的，性價比高，操作更為簡單的西門子Ｓ７－２００型。德國西門子S7-200型的優(yōu)點：１．S7-200型PLC外觀整潔小巧，結構更為緊湊。２．對于小型的控制系統(tǒng)S7-200型普遍被使用，其內(nèi)部的指令更為成熟，便于接受。３．價格低廉更具性價比。４．PC／PPI電纜連接上位機與PLC完成點對點PPI協(xié)議。與此同時完成全階段轉(zhuǎn)換可編程控制器的通信接口與上位機PC的通信接口。（注：在PLC中采用RS485實現(xiàn)對PLC中CPU的完全通信，但是對于上位機的PC端只能采用RS２３２進行通信，由此看出二者不能夠直接通信）。3.1.2擴展模塊的選型本課題選用PLC主模塊為CPU226。擴展模塊為EM235。CPU226：開關量輸出：16點開關量輸出形式：繼電器輸出（交流電220V）開關量輸入：24點輸入形式：直流輸入（直流24V）EM235：四模擬量輸入（4AIW）一模擬量輸出（AQW）擴展模塊EM235中包含模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器借此實現(xiàn)該模塊的模擬量與數(shù)字量的接洽。例如輸入標準的輸入信號EM235內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該數(shù)字信號是字長為16bit。如輸出字長為16bit的數(shù)字信號，EM235內(nèi)部的D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為便準的輸出信號。其中我們對于標準信號的定義，以及有不同的數(shù)字信號時，在DIP開關內(nèi)設置標準的數(shù)字信號。EM235模擬量模塊；EM235模擬量模塊；擬量輸入/輸出模塊支持：?對煙霧流量控制系統(tǒng)的模擬量信號進行連接?對控制系統(tǒng)的輸出的模擬量實現(xiàn)控制它們轉(zhuǎn)換：?實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換并將信號輸入到SIMATICS7-200內(nèi)?把S7-200輸出信號轉(zhuǎn)換為需要的數(shù)字量或者模擬量3.2電動機變頻調(diào)速原理三相異步電動機用于煙霧流量控制系統(tǒng)中重要的驅(qū)動設備，轉(zhuǎn)速公式為：（3-1）在此公式中可以看中電動機轉(zhuǎn)速與點與頻率f，電動機內(nèi)部的磁極對數(shù)p，電動機的轉(zhuǎn)差率有關，因此我們在對電動機調(diào)速控制時需考慮個條件的影響。因此對于三相異步電動機的調(diào)速方法有改變電源頻率，變更三相異步電動機的磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率，三相異步電動機的生產(chǎn)后，其磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率都是一定的不可以輕易改變，因此再此課題中我們通過改變電動機的電源頻率來實現(xiàn)對三相異步電動機調(diào)速，以實現(xiàn)對煙霧流量的精準控制，通過對電動機的速度來控制煙霧流出的流速，并通過流量計來檢測管道中的煙霧流量的速度并傳輸至組態(tài)軟件中，實現(xiàn)該系統(tǒng)的驅(qū)動與信號的反饋。3.3PLC外部信號傳輸整體概述抽煙電機運行的兩種模式，分別為手動模式和自動模式。在手動模式下打開電機手動運行指示燈亮，電動機運行低速，再次觸發(fā)抽煙電機運行在中速檔，觸發(fā)煙機運行在三檔，高速狀態(tài)，再次觸發(fā)煙機停止開關運行，手動模式的LED熄滅。因此此過程是需要外部觸發(fā)PLC響應，傳輸至變頻器，改變電動機的電源頻率實現(xiàn)流量速度控制。在自動模式下第一次觸發(fā)煙機自動運行模式下的LED指示燈亮，煙機開始工作，EM235模擬量輸入/輸出模塊把煙量傳感器輸入的電壓（0-10V）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入PLC存儲區(qū)，并根據(jù)預設的閾值判斷是否開始控制變頻器工作，如果超過閾值，則將其對應的數(shù)字量輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量經(jīng)運算放大后輸出電壓(0-10V）用來控制變頻器MM420輸出頻率，實現(xiàn)電機調(diào)速。另外還有額外功能：對煙道或者工作場地的照明和報警系統(tǒng)，照明系統(tǒng)也可以使用PLC額外端口實現(xiàn)，或者通過光敏電阻實現(xiàn)自動控制。外加溫度顯示，煙道及工作場地的溫度和煙量的檢測，實現(xiàn)超閾值報警功能。MCGS嵌入式組態(tài)軟件實現(xiàn)了上位機的PC對整個煙霧流量控制系統(tǒng)的控制（啟停，運行模式）和完成對工作場地的溫度濕度，煙霧濃度的檢測，并上傳至上位機PC中，因此，MCGS成為了煙霧流量控制系統(tǒng)全階段全時段檢測和控制。系統(tǒng)電氣控制總框和整體過程如圖所示：上位機PC上位機PC通過組態(tài)王模擬演示控制過程手動自動選擇開關煙量傳感器變頻器模擬量控制電機模擬量輸入CPU200XP自動模式指示燈報警.緊急燈手動模式指示燈溫度/煙量異常報警LED照明燈自動模式開始/調(diào)速（上升沿觸發(fā)）急停開關圖3.1系統(tǒng)的電氣控制總框3.4系統(tǒng)主電路分析及其設計在主電路中，KM1，3，5是主電路工頻上的接觸器，他們對應著不同的電動機組，能夠?qū)崿F(xiàn)三組電動機在工頻上運行，他們的吸合與否，與PLC給的信號有關，PLC控制著三個接觸器的吸合。相對的我們定義偶數(shù)的接觸器為變頻電路上的接觸器，同樣是由PLC控制，當接觸器吸合時我們利用回路上的變頻器實現(xiàn)對電動機組的變頻控制，不同機組在變頻器的作用下實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的控制完成對煙霧流量的控制。FR分別為三個電機組熱繼電器在此過程中起到過載保護的作用；為了回路的安全，我們分別在工頻和變頻電路上裝有隔離開關，不僅對回路進行有效的控制還可以增加該電路的安全可靠性。當然，作為機組的主電路熔斷器FU對回路的安全也起到重要的作用。煙霧控制系統(tǒng)采用多電機循環(huán)變頻運行方式，煙霧較多時總有一組電機處于變頻狀態(tài)，其他兩組為正常的工頻狀態(tài)，且每一組電機組不能工作超過三個小時，超過三個小時跳轉(zhuǎn)為下一個機組變頻，其余二組為工頻狀態(tài)，既保證了對煙霧流量的控制，也延長了電機組的使用壽命，提高了整個系統(tǒng)的利用效率。三相對稱電源上接有熔斷器對電路起到過流保護，隔離開關QS１輸入至變頻器然后輸出通過接觸器的觸電至電動機組，對連接至變頻器的電動機組實現(xiàn)變頻調(diào)速，這就需要該電動機組連接至變頻器時，實現(xiàn)變頻調(diào)速時，接觸器接到變頻器中，按照變頻器上預設值的速度進行工作，即處于變頻模式。不能接至工頻上，即三相異步電動機組不可以同時連接變頻電路和工頻電路，對于變頻器而言，變頻器的輸出端也不可以直接接電源。因此，我們在主電路上不得不實現(xiàn)雙電路的互鎖，對于我們繼電器電路我們可以使用互鎖開關，在PLC電路中我們僅需要通過梯形圖實現(xiàn)互鎖。該系統(tǒng)中需要對工作的電動機組實現(xiàn)監(jiān)測，我們監(jiān)測的內(nèi)容主要是電動機的轉(zhuǎn)速，以及電動機組的電壓，變頻器的電壓。各種儀表實現(xiàn)對各個項目的監(jiān)測，然后通過現(xiàn)場總線輸入到上位機PC中。其中電動機模塊需要監(jiān)測電動機的轉(zhuǎn)速，電動機組的電流，電動機組的電壓，變頻器的電壓，變頻器的電流。另外我們通過對三相電的線電壓的值可以判斷出哪一組電動機處于變頻狀態(tài)。注意事項：接觸點互鎖，電動機不能反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)不能夠直接與主電路斷開，因此通過變頻器實現(xiàn)軟啟動和軟停。在三相電路中，為了提高我們電動機組的對電源的利用率，我們必須減小阻抗角，即改變功率因素，因此在此電路中電抗器就顯得尤為重要，通過感性電阻和容性原件實現(xiàn)阻抗叫的最小化。另外，對于電動機啟動時我們采用軟起動的模式，在電路中我們不采用星三角的降壓啟動，我們對于星三角必須改變電動機的接線，因使用的是電動機組，使用該方法大大增加了電路的復雜程度，因此該系統(tǒng)需要進行軟起動。這樣才可以使得電路中流經(jīng)的電流不會過大，從而影響安全。圖3.2煙霧流量控制系統(tǒng)主電路圖3.5PLC的I/O端口分配及外圍接線圖在PLC中I/O分配及外圍接線是至關重要的，它關系這整個系統(tǒng)能否正常運行，不同的信號來源對應PLC中不同的代碼，同時也在PLC中有著不同的地址編號，下面是輸入輸出點代碼及地址編號：表3.1I/O地址分配表名稱代碼地址編號輸入信號溫度模式信號(1-高溫，0-低溫)SA1I0.0煙霧濃度上下限信號SLHLI0.1變頻器報警信號SUI0.2試燈按鈕SB7I0.3濃度傳感器輸出模擬量電壓值UpAIW0輸出信號第一組電動機的正常模式接觸器和LED顯示KM1、HL1Q0.0第一組電動機的變頻調(diào)速模式接觸器和LED顯示KM2、HL2Q0.1第二組電動機的正常模式接觸器和LED顯示KM3、HL3Q0.2第二組電動機的變頻調(diào)速模式接觸器和LED顯示KM4、HL4Q0.3第三組電動機的正常模式接觸器和LED顯示KM5、HL5Q0.4第三組電動機的變頻調(diào)速模式接觸器和LED顯示KM6、HL6Q0.5輸出信號煙霧濃度上下限報警指示燈HL7Q1.1變頻器故障報警指示燈HL8Q1.2高溫模式運行指示燈HL9Q1.3報警電鈴HAQ1.4變頻器頻率復位控制KAQ1.5變頻器輸入電壓信號UfAQW0由此看出，在煙霧流量控制系統(tǒng)中，輸入量為５，在這其中有四個是數(shù)字量，剩下的為模擬量。模擬量來源為煙霧濃度傳感器，當工作場地的煙霧濃度達到上下限時，傳感器監(jiān)測信號并輸出模擬量，PLC的EM235模塊接收信號，并將模擬量信號轉(zhuǎn)化為字長為16bit的數(shù)字量。3.6煙霧流量控制系統(tǒng)控制PLC部分電路分析及其設計PLC是煙霧流量控制系統(tǒng)中重要的一環(huán)，PLC主要在該系統(tǒng)中實現(xiàn)對煙霧電機組的自動投入運行，在電動機組之間實現(xiàn)在變頻與工頻之間完成切換，并且確保單個電動機組不能持續(xù)工作，用變頻電動機組和工頻電動機組共同完成對工作產(chǎn)地中煙霧的控制。與此同時，PLC還要完成對整個系統(tǒng)的編程和手動與自動模式的切換，以及該系統(tǒng)運作的啟停。與此同時，該PLC還承接著與上位機的通信，以及工作場地內(nèi)的個狀態(tài)的報警識別。過程分析：SA轉(zhuǎn)換開關，起到模式切換的作用即是手動/自動轉(zhuǎn)換開關，在圖示上不同觸電１，２就對應著不同的工作模式。煙霧流量控制系統(tǒng)的手動與自動控制：手動控制：選擇開關SA選擇１，實現(xiàn)對手動控制的切換，在此模式下可以分別對三個煙霧電動機組實現(xiàn)控制。觸發(fā)SB1實現(xiàn)KM1線圈得電，對應的KM1的常閉觸點閉合，回路完成自鎖，LEDHL１點亮，此時第一個電動機組運行在工頻下。按下停止按鈕電路整個電路失電，第一電動機組停止運行。。按下SB3，線圈KM3得電，對應的KM3的常閉觸點閉合，回路自鎖，HL3點亮，此時第二個電動機組運行在工頻下。按下停止按鈕電路整個電路失電，電動機組停止運行。。觸發(fā)按鈕SB5隨機KM5線圈通電對應的KM5的常閉觸點閉合。第二電動機組回路完成自鎖LEDHL5點亮，此時第二個電動機組在工頻下運行。按下停止按鈕整個電路失電，該電動機組停止運行。圖3.3煙霧控制系統(tǒng)控制電路圖自動控制：選擇開關選擇２，系統(tǒng)在自動模式下工作。此時PLC啟動，接觸器Q0.0和Q0.1控制著1號電動機組的工頻和變頻模式，Q0.2和Q0.3接觸器控制著2號電動機組的工作模式，即是工頻還是變頻模式，Q0.4和Q0.5接觸器控制著3號電動機組的工頻和變頻模式。若Q0.0閉合，則KM1得電，HL1點亮，此時1號電動自足運行在工頻下，此時KM1的常閉觸點打開，確保了變頻和工頻模式不能同時運行，即對于變頻器來說不能直接串聯(lián)在主電路上。若Q0.2閉合，則KM3得電，HL3點亮，此時2號電動自足運行在工頻下。若Q0.4閉合，則KM5得電，HL5點亮，此時3號電動自足運行在工頻下。由此看出，PLC控制著各種接觸器的吸合與否。同理，其余的電路依次完成控制確保了變頻和工頻模式不能同時運行，即對于變頻器來說不能直接串聯(lián)在主電路上。若Q0.3閉合，則KM4得電，HL4點亮，此時2號電動自足運行在工頻下。若Q0.5閉合，則KM6得電，HL6點亮，此時3號電動自足運行在工頻下。自動模式下PLC啟動運行，控制接觸器吸合與打開。Q1.1控制著煙霧濃度上下限的LED燈，當工作場地的煙霧濃度達到上下限時，傳感器監(jiān)測信號并輸出模擬量，PLC的EM235模塊接收信號，并將模擬量信號轉(zhuǎn)化為字長為16bit的數(shù)字量，經(jīng)PID控制使得PLC的Q1.1輸出高電平，則HL7點亮。當變頻器出現(xiàn)故障，或者內(nèi)部電流電壓為非標準值時，Q1.2點亮。同理，當溫度傳感器監(jiān)測到高溫呢模式時，經(jīng)過回路實現(xiàn)HL9點亮。Q1.4控制著系統(tǒng)的報警功能，當需要時我們在編程軟件中把他接入相應的電路中。Q1.5時電路的變頻器頻率的復位。第四章系統(tǒng)的軟件設計4.1系統(tǒng)軟件設計分析在煙霧流量控制系統(tǒng)中，我們需要對現(xiàn)場進行積極反饋，這就要求我們的PLC編制初始化。其中，中斷程序和初始化編制在PID閉環(huán)控制中身份重要。該系統(tǒng)中的絕大多數(shù)反饋信號為模擬量，因此在真?zhèn)€PID控制中和PLC系統(tǒng)中分為三個部分進行編程，一方面分部分編程有助于邏輯梳理，另一方面為后期維護和升級奠定記住。在該系統(tǒng)中主要有主程序，主程序完成信號的轉(zhuǎn)換與信號生成，多個電動機組之間由工頻到變頻的相互轉(zhuǎn)換，與此同時還兼任著對各個接觸器的邏輯信號的總體控制，還有實現(xiàn)系統(tǒng)的報警功能。因為高溫和低溫狀態(tài)下對工作場地內(nèi)煙霧濃度的排放需求不同，高溫時，長時間的煙霧積累會導致溫度升高，不符合場地需求。低溫輕快想，慢速的排放煙霧有助于對工作場地的保暖。再者就是子程序，他也兼顧著對系統(tǒng)的初始化，這樣可以有效的節(jié)省掃描周期，實現(xiàn)PLC的快速反應。對于PID控制，我們用PLC中的定時器來確立PID控制器的采樣周期，并且實現(xiàn)對PID的輸出控制。主程序完成信號的轉(zhuǎn)換與信號生成，多個電動機組之間由工頻到變頻的相互轉(zhuǎn)換，與此同時還兼任著對各個接觸器的邏輯信號的總體控制，還有實現(xiàn)系統(tǒng)的報警功能。因為高溫和低溫狀態(tài)下對工作場地內(nèi)煙霧濃度的排放需求不同，高溫時，長時間的煙霧積累會導致溫度升高，不符合場地需求。低溫輕快想，慢速的排放煙霧有助于對工作場地的保暖。這里我們區(qū)分了高溫模式與低溫模式，用以區(qū)分模式不同表現(xiàn)在PLC中LED燈的亮滅，還有對PID中設定值的不同，我們以設定值的百分之九十為高溫模式，以設定值的百分之七十為低溫模式，通過對設定值的量程不同，用以來區(qū)分在溫度不同下我們對煙霧排除速度的快慢的需求。4.2PLC程序設計我們使用STEP7-MicroWIN-V40編程軟件來對PLCＳ７－２００進行編程。該軟件的編程手段也有不同，我們可以使用語句表，梯形圖，功能塊圖，這也就方便了不同人群不同習慣。在煙霧控制系統(tǒng)中用了一個主程序和兩個子程序來進行控制。在STEP7-MicroWIN-V40軟件中編程編譯。使用PC/PPI電纜把編寫程序下載到PLC，然后啟動PLC，使其工作在RUN狀態(tài)。4.2.1控制系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)初始化程序在煙霧流量控制系統(tǒng)開始前首先對整個系統(tǒng)進行初始化，即對系統(tǒng)進行檢測，其中包括各種初始值，設定值。對電動機組是否需要增加變頻的機組數(shù)程序輸出PID的運算結果將結果和預定值進行比較（電動機組變頻運行的最大頻率），當數(shù)值大于并且等于是開始執(zhí)行，并且對于變頻的三相異步電動機組能夠穩(wěn)定的運行（在這里，我們界定三相異步電動機的穩(wěn)定運行為電流電壓為適當值，并且變頻器不過熱，還有電路中熔斷器不發(fā)生熔斷），就此，依靠PLC中定時器（設定定時器的定時時間為５分鐘），因此煙霧流量控制系統(tǒng)每五分鐘就進行變頻電動機組號加一。其中定時器設定５分鐘是為了消除短時間內(nèi)的煙霧濃度差對傳感器的值進行影響。電動機組的軟啟動程序PLC實現(xiàn)對變頻器的延時接通，變頻器對電動機組進行軟起動，且保證任一電動機組工作不超過三小時。電動機組兩種模式選擇程序接觸器Q0.0和Q0.1控制著電動機組第一組工頻和變頻模式，接觸器Q0.2和Q0.3控制著電動機組第二組的工頻和變頻模式，接觸器Q0.4和Q0.5控制著電動機組第三組的工頻和變頻模式。接觸器Q0.0和Q0.1控制著1號電動機組的工頻和變頻模式，Q0.2和Q0.3接觸器控制著2號電動機組的工作模式，即是工頻還是變頻模式，Q0.4和Q0.5接觸器控制著3號電動機組的工頻和變頻模式。若Q0.0閉合，則KM1得電，HL1點亮，此時1號電動自足運行在工頻下，此時KM1的常閉觸點打開，確保了變頻和工頻模式不能同時運行，即對于變頻器來說不能直接串聯(lián)在主電路上。若Q0.2閉合，則KM3得電，HL3點亮，此時2號電動自足運行在工頻下。若Q0.4閉合，則KM5得電，HL5點亮，此時3號電動自足運行在工頻下。由此看出，PLC控制著各種接觸器的吸合與否。同理，其余的電路依次完成控制確保了變頻和工頻模式不能同時運行，即對于變頻器來說不能直接串聯(lián)在主電路上。若Q0.3閉合，則KM4得電，HL4點亮，此時2號電動自足運行在工頻下。若Q0.5閉合，則KM6得電，HL6點亮，此時3號電動自足運行在工頻下。自動模式下PLC啟動運行，控制接觸器吸合與打開。自動模式下PLC啟動運行，控制接觸器吸合與打開與否。Q1.1控制著煙霧濃度上下限的LED燈，當工作場地的煙霧濃度達到上下限時，傳感器監(jiān)測信號并輸出模擬量，PLC的EM235模塊接收信號，并將模擬量信號轉(zhuǎn)化為字長為16bit的數(shù)字量，經(jīng)PID控制使得PLC的Q1.1輸出高電平，則HL7點亮。當變頻器出現(xiàn)故障，或者內(nèi)部電流電壓為非標準值時，Q1.2點亮。同理，當溫度傳感器監(jiān)測到高溫呢模式時，經(jīng)過回路實現(xiàn)HL9點亮。Q1.4控制著系統(tǒng)的報警功能，當需要時我們在編程軟件中把他接入相應的電路中。Q1.5時電路的變頻器變頻器頻率的復位。主程序：主程序開始，調(diào)用初始化的子程序，設置兩種模式下的煙霧濃度值，設定變頻電動機組號，看變頻器頻率是否達到上限，如果達上限定時器定時５分鐘，進行濾波，工頻的電動機組多加一組并產(chǎn)生變頻啟動脈沖，看是否需要增加電動機組或者轉(zhuǎn)換電動機組，如果是復位變頻器且電動機組號加一，調(diào)整變頻器電動機組號遇４加１，產(chǎn)生當前電動機組工頻運行下電動機組變頻運行，看是否變頻電動機組運行３小時，如果是產(chǎn)生轉(zhuǎn)換電動機組序號，三組電動機變頻運行，三組電動機工頻運行，看煙霧濃度是否超過上限，如果是煙霧濃度超過上限報警，看是否變頻器故障，如果是變頻器故障報警，看是否有報警，如果是變頻電動機組置１工頻電動機組置０，產(chǎn)生故障結束脈沖，程序結束。4.2.2控制系統(tǒng)子程序設計根據(jù)控制系統(tǒng)的流程編寫子程序如圖所示：(1)初始化子程序SBR_0圖4.1初始化子程序SBR_0梯形圖(2)PID控制中斷子程序圖4.2PID控制中斷子程序INT_0梯形圖第五章監(jiān)控系統(tǒng)的設計及系統(tǒng)調(diào)試5.1監(jiān)控組態(tài)軟件簡介MCGS由組態(tài)，模擬運行和運行環(huán)境構成。其中組態(tài)可以在上位機中運行，并且運行環(huán)境是唯一的獨立運行系統(tǒng)，用三個環(huán)境來完成組態(tài)的設計和功能，MCGS可以通過串口或者以太網(wǎng)傳輸?shù)絇C中并下載到下位機內(nèi)，因此，MCGS非常的可靠，安全。在用戶應用系統(tǒng)界面由主控窗口和設備窗口和用戶窗口和實時數(shù)據(jù)庫和運行策略。通過創(chuàng)建圖形對窗口進行布局調(diào)整。5.2煙機流量控制監(jiān)控組態(tài)設計該設計采用MCGS組態(tài)軟件，運用MCGS打開工程管理器。新建新的工程，建立新畫面。5.2.1監(jiān)控主界面在文件里調(diào)用開關管道實時表，溫度儀表和報警窗口等畫面。在煙霧流量控制系統(tǒng)上有對管道內(nèi)和場地內(nèi)的煙霧濃度的顯示，還有室溫的設定值和實際值。并包含了實時曲線。窗口如圖所示，正常狀態(tài)下，主頁面為圖5.1，進能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控，如需對電動機操作需點擊右下角的返回主窗口，并選擇煙霧流量控制系統(tǒng)電動機組部分人機界面，如圖5.2，在此界面中分為三組電動機，借由對電動機組的電流電壓查看工作的電動機是否為正常狀態(tài)，并也可以從此界面實現(xiàn)操作，手動模式和自動模式的切換。同時添加了停止按鈕，為后期檢修和升級留有余地。由此界面也可以返回煙霧流量控制系統(tǒng)的人機界面。圖5.1煙霧流量控制系統(tǒng)人機界面圖5.2煙霧流量控制系統(tǒng)電動機組部分人機界面運行組態(tài)軟件系統(tǒng)開始運行，實時曲線能夠顯示目前狀態(tài)下風機的狀態(tài)和煙霧濃度。當點擊停止按鈕時，系統(tǒng)停止運行。5.2.2實時趨勢曲線打開系統(tǒng)的實時曲線，然后雙擊曲線對曲線進行定義。實時曲線顯示當前煙霧濃度和濃度的變化趨勢，以及當前的電動機組轉(zhuǎn)速值。圖5.3實時趨勢曲線結論通過PLC的編程，對模擬量（管道內(nèi)煙霧流量）進行控制，運用MCGS組態(tài)軟件進行監(jiān)控。組態(tài)軟件中充分完成了設定目標，成功使得工作場地對煙霧流量控制，對工作環(huán)境的室溫，適度，煙霧濃度實現(xiàn)監(jiān)測。與此同也實現(xiàn)對在組態(tài)軟件中對煙霧流量控制系統(tǒng)的操作。取代繼電器的使用較為復雜，用PLC對多種復雜的繼電器進行替代。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制。PLC能夠?qū)崿F(xiàn)自動化控制。PLC可以通過添加相應的PLC模塊進而實現(xiàn)不同功能。對于PLC內(nèi)部進行目的是利用PLC來實現(xiàn)對多種繼電器的替代，并實現(xiàn)自動化控制。例如，PLC可以實現(xiàn)數(shù)字量和模擬量的相互轉(zhuǎn)換通過添加I/O模塊。對于PLC內(nèi)部進行目的是利用PLC來實現(xiàn)對多種繼電器的替代，并實現(xiàn)自動化控制。例如，PLC中I/O模塊可以實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)換。并且可以對該模擬量完成PID的閉環(huán)控制。結論基于PLC的流量控制系統(tǒng)以本畢業(yè)設計以SIMATICS-200為核心通過CPU224XP完成對工作場地的煙霧控制。其中將系列CPU224XP進行現(xiàn)場控制，應用單閉環(huán)控制，使用擴展的模塊EM235（AI4/AQ1*12位）采集并量化數(shù)據(jù)，實現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，內(nèi)部運算實現(xiàn)給定量與設計量的相減進而輸入到執(zhí)行器當中，由此形成了閉環(huán)。采取增量式PID不僅可以對系統(tǒng)影響小，還可以實現(xiàn)系統(tǒng)更好的在手動與自動模式之間的切換，并且增量式控制不產(chǎn)生積分失控，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過這次畢業(yè)設計，熟練的掌握了PLC的應用，其中就包括對設備各種型號的認識，以及相關型號PLC各有什么作用，另外學會如何編程PLC掌握了如何使用變頻器，如何實現(xiàn)組態(tài)軟件和PLC的通信等一系列智能控制的相關操作。其中對于PID控制更是有了一定了解，但是，用增量式PID編程也有不足之處：積分