畢業(yè)論文---中型實驗室的控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）</b></p><p>　　題 目：基于PLC的控制系統(tǒng)設(shè)計----中型實驗室的控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　PLC控制系統(tǒng)在工業(yè)自動化控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計和實踐經(jīng)驗的總結(jié)，在實際應(yīng)用中具有良好的效

2、果。在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，有大量的數(shù)字量及模擬量的控制裝置，PLC控制系統(tǒng)對產(chǎn)品的計數(shù)，溫度、壓力、流量的設(shè)定與控制等，而PLC技術(shù)是解決上述問題的最有效、最便捷的工具，因此，PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：PLC  控制系統(tǒng)  設(shè)計  調(diào)試</p><p><b>　　目 錄</b><

3、/p><p>　　第1章 前言………………………………………………………………………………….1</p><p>　　第2章 基于PLC過程控制系統(tǒng)方案……………………………………………………….2</p><p>　　第3章 硬件部分的實現(xiàn)…………………………………………………………………….3</p><p>　　第4章 軟件部分……

4、……………………………………………………………………….5</p><p>　　第5章 調(diào)試………………………………………………………………………………….9</p><p>　　第6章 結(jié)論……………………………………………………………………………… .11</p><p>　　參考文獻…………………………………………………………………………………… .12&

5、lt;/p><p>　　致 謝…………………………………………………………………………………….13</p><p>　　附 錄……………………………………………………………………………………14</p><p><b>　　第1章 前言</b></p><p>　　自二十世紀六十年代美國推出可編程邏輯控制器（P

6、rogrammable Logic Controller，PLC）取代傳統(tǒng)繼電器控制裝置以來，PLC得到了快速發(fā)展，在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。同時，PLC的功能也不斷完善。隨著計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)、控制技術(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和用戶需求的不斷提高，PLC應(yīng)用于模擬量處理和運動控制等功能。今天的PLC不再局限于邏輯控制，在運動控制、過程控制等領(lǐng)域也發(fā)揮著十分重要的作用。</p><p>　　目前，PLC在國內(nèi)外已

7、廣泛應(yīng)用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環(huán)保及文化娛樂等各個行業(yè)。 </p><p>　　同時，計算機監(jiān)控系統(tǒng)是采用集中監(jiān)測、集中控制、集中顯示、集中管理、集中保存的系統(tǒng)，融合了較先進的自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、故障診斷技術(shù)和軟件技術(shù)，廣泛應(yīng)用在化工、供暖、機械、供水、水處理等多個領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越顯著的作用。</p><p>　　第2章

8、基于PLC過程控制系統(tǒng)方案</p><p>　　基于PLC的過程控制系統(tǒng)為了實現(xiàn)被控對象的工藝要求，以提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在設(shè)計PLC過程控制系統(tǒng)時，遵循以下基本原則：</p><p>　　1. 最大限度地滿足被控對象的控制要求</p><p>　　充分發(fā)揮PLC的功能，最大限度地滿足被控對象的控制要求，是設(shè)計PLC控制系統(tǒng)的首要前提，這也是設(shè)計中最重要的

9、一條原則。這就要求設(shè)計人員在設(shè)計前就要深入現(xiàn)場進行調(diào)查研究，收集控制現(xiàn)場的資料，收集相關(guān)先進的國內(nèi)、國外資料。同時要注意和現(xiàn)場的工程管理人員、工程技術(shù)人員、現(xiàn)場操作人員緊密配合，擬定控制方案，共同解決設(shè)計中的重點問題和疑難問題。</p><p>　　2. 保證PLC控制系統(tǒng)安全可靠</p><p>　　保證PLC控制系統(tǒng)能夠長期安全、可靠、穩(wěn)定運行，是設(shè)計控制系統(tǒng)的重要原則。這就要求設(shè)計者

10、在系統(tǒng)設(shè)計、元器件選擇、軟件編程上要全面考慮，以確?？刂葡到y(tǒng)安全可靠。例如：應(yīng)該保證PLC程序不僅在正常條件下運行，而且在非正常情況下（如突然掉電再上電、按鈕按錯等），也能正常工作。</p><p>　　3. 力求簡單、經(jīng)濟、使用及維修方便 </p><p>　　一個新的控制工程固然能提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量，帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，但新工程的投入、技術(shù)的培訓、設(shè)備的維護也將導致運行資金

11、的增加。因此，在滿足控制要求的前提下，一方面要注意不斷地擴大工程的效益，另一方面也要注意不斷地降低工程的成本。這就要求設(shè)計者不僅應(yīng)該使控制系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟，而且要使控制系統(tǒng)的使用和維護方便、成本低，不宜盲目追求自動化和高指標。 </p><p>　　4. 適應(yīng)發(fā)展的需要 </p><p>　　由于技術(shù)的不斷發(fā)展，控制系統(tǒng)的要求也將會不斷地提高，設(shè)計時要適當考慮到今后控制系統(tǒng)發(fā)展和完善的需要。

12、這就要求在選擇PLC、輸入/輸出模塊、I/O點數(shù)和內(nèi)存容量時，要適當留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進。</p><p>　　第3章 硬件部分的實現(xiàn)</p><p>　　PLC硬件部分選用西門子S7-300系列產(chǎn)品，西門子s7-300PLC是具有模塊化設(shè)計思想，可以根據(jù)控制要求方便的組合。為系統(tǒng)的改造和升級改造方便的條件。根據(jù)控制要求及系統(tǒng)升級考慮選用設(shè)備型號。也可根據(jù)系統(tǒng)的具體情

13、況選擇合適的模塊，以便維修時模塊方便的更換。PLC控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計是PLC控制系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，這關(guān)系著PLC控制系統(tǒng)運行的可靠性、安全性、穩(wěn)定性。S7-300是模塊化的PLC,能夠適合本系統(tǒng)的控制要求。S7-300采用緊湊的、無槽位限制的模塊結(jié)構(gòu)，電源模塊(PS)、CPU、信號模塊(SM)、功能模塊（FM）、接口模塊（IM）和通信處理器(CP)都安裝在導軌上。電源模塊總是安裝在機架的最左邊，CPU模塊緊靠電源模塊。其它接口模塊放在CP

14、U模塊的右側(cè)。S7-300用背板總線將除電源模塊之外的各個模塊連接起來。背板總線集成在模塊上，模塊通過U型總線連接器相連，每個模塊都有一個總線連接器。安裝時先將總線連接器插在CPU模塊上，并固定在DIN導軌上，然后依次裝入各個模塊。本系統(tǒng)采用金屬外殼屏蔽，將PLC系統(tǒng)內(nèi)置于金屬柜之內(nèi)，金屬柜外殼接地，起到良好的靜電、磁場屏蔽作用，防止空間輻射干</p><p><b>　　電源模塊(PS)</b&

15、gt;</p><p>　　電源模塊用于將AC 220 V電源轉(zhuǎn)換為DC 24 V電源，供CPU和I/O模塊使用。</p><p>　　中央處理器(CPU) </p><p>　　各種CPU有不同的性能，有的CPU集成有數(shù)字量和模擬量輸入/輸出點等。</p><p><b>　　信號模塊（SM）</b></p&

16、gt;<p>　　信號模塊是數(shù)字量輸入/輸出模塊和模擬量輸入/輸出模塊的總稱它們使不同的過程信號電壓或電流與PLC內(nèi)部的信號電平匹配。信號模塊主要有數(shù)字量輸入模塊SM321和數(shù)字量輸出2，模擬量輸入模塊SM331和模擬量輸出模塊SM332。</p><p><b>　　前連接器</b></p><p>　　前連接器用于將傳感器和執(zhí)行元件連接到信號模塊。它

17、被插入到模塊上，有前蓋板保護。</p><p>　　外部接線接在信號模塊的前連接器的端子上，前連接器用插接的方式安裝在模塊后面的凹槽中。S7-300的電源模塊通過電源連接器或?qū)Ь€與CPU模塊相連 ，為CPU模塊提供DC 24 V電源。</p><p>　　以下是本系統(tǒng)的配置單：</p><p><b>　　配置單：</b></p>

18、<p><b>　　第4章 軟件部分</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用的是STEP7 系列的編程軟件。梯形圖、語句表、功能塊圖是STEP7的基本編程語言。</p><p>　　梯形圖是使用最多的PLC圖形編程語言。梯形圖與繼電器電路圖相似，具有直觀易懂的優(yōu)點，很容易被工廠熟悉繼電器控制電氣人員掌握，適合于數(shù)字量邏輯控制。</p>

19、<p>　　以下是本系統(tǒng)部分截圖：</p><p><b>　　第5章 調(diào)試</b></p><p>　　在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技

20、術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。</p><p><b>　　比例（P）控制</b></p><p>　　比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差

21、信號成比例關(guān)系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。</p><p><b>　　積分（I）控制</b></p><p>　　在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state

22、 Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。</p><p><b>　　微分（D）控制</b></p><p>　

23、　在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入 “比例”項往往是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是

24、“微分項”，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負值，從而避免了被控量的嚴重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。</p><p>　　PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)調(diào)試的內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起

25、來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進行整定。但無論采用哪

26、一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實際運行中進行最后調(diào)整與完善。在此，不作詳細說明。</p><p><b>　　第6章 結(jié)論</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] xxxxxx. xxxxx·算法及技巧 北京：機械工業(yè)出版社, 2005</p&g

27、t;<p>　　[2] 宋伯生. PLC編程理論·算法及技巧 北京：機械工業(yè)出版社, 2005</p><p>　　[3] 廖常初. S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù) 北京：機械工業(yè)出版社, 2005</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在***老師的悉心指導下