基于PLC热工量综合测控系统设计与实现.pdf

电气技术与自动化 赵峰 基于 P L C热工量综合测控系统设计与实现 基 于 P L C热工量综合测控 系统设计与实现 赵 峰 泰州职业技术学 院 机 电工程 学院 。 江苏 泰州 2 2 5 3 0 0 摘要 介 绍了实验 水箱热工量综合测控 系统 ， 涉及液位 、 温度的测量 ， 并 能够对水箱液位 和加 热温度进行准确控制。系统采用 P L C作为主控系统， 应用P I D算法实现控制调节， 通过模拟量 的扩展模块 E M2 3 5实现输入测量信 号的模一 数转 换及 输 出控 制信 号的数一 模 转换 。通过组 态 软件完成上位机的测控界面设计， 实现上下位机之间的通信 ， 参数的输入输出传送、 显示及控 制曲线的 实时监视 。 关键 词 可编程序控制 器 ； 组 态王 ； 热工量 ； 测控 系统 中图分类号 T H 1 2 ； T M5 7 1 ． 6 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 62 7 6 2 0 1 1 0 6 - 0 1 9 4 - 0 4 De s i g n o f Th e r ma l Co nt r o l S y s t e m Ba s e d o n PLC ZHAO F e n g C o ll e g e Me c h a n i c a l a n d E le c t r ic a l E n g i n e e r i n g ， T a i z h o u P o l y t e c h n ic I n s t i t u t e M e c h a n i c a l D e p a r t me n t ， T a i z h o u 2 2 5 3 0 0 ， C h i n a Abs t r ac t This p a p er i n t r o du c es wa t er t an k t he r ma l mea s u r e men t an d c on t r ol s y s t em， it s l e v e l a n d t e mp e r a t ur e me a s ur eme n t a n d w a t e r h e a t in g a n d t e mp e r a t u r e c o n t ro1 ．P L C i s u s e d a s a ma i n c o n t rol a n d t h e o b j e c t is r e g u l a t e d b y P I D c o n t rol a l g o r it h m t o r e a l iz e a n alog - d i g it a l c o n v emion o f t h e i n pu t mea s u r e men t s i g na l a n d d i g i t a l - a n alog c o n v er s i o n o f t h e ou t p u t mea s u r e men t s ign al t h rou g h t h e e x p an s ion mod u l e．Th e Ki n g Vie w s o f t wa r e o f t he PC c o mp u t er is u s e d t o c omp l e t e in t er f ac e de s i g n， a c hie v e t h e t r a n s mis s ion of i n - p u t an d ou t p u t p a r a me t e r s，d i s p l a y a n d c on t r o l r e al t i me c ur v e． Ke y wo r d s P L C； K i n g Vie w； t h e r ma l p a r a me t e r ； me a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m 0 引言 近年来 ， 工科专业对实验教学的要求越来越高 ， 教学 仪器也趋向多功能化、 智能化发展。但由于 目前工业生产 中使用的控制系统的功能都是事先设定， 购买后对其软件 和程序等无法修改 ， 也无法对其功能进行调节 ， 所以无法 适用于综合性、 设计性和创新性实验教学的要求。本系统 是对实验水箱热工量参数测量与控制装置的设计。设计 的实验水箱含有液位 、 温度测量和相应 的控制 。主测控 系 统采用西门子 P L C进行控制， 动力供水采用三相交 流水 泵， 交流变频器驱动， 组成可调节供水系统。加热采用 S C R晶闸管， 电加热丝组成加热系统。上位机则由计算机 和组态王构成 ， 通过组态软件完成上位机的测控界 面设 计， 实现上下位机之间的通信， 参数的输入输出传送、 显示 及控制 曲线 的监视 。 1 系统整体构成 本系统主要由各类硬件、 上位机和下位机组成。下位 机采用 P L C作为主控系统， 通过温度传感器和液位传感 器分别对温度信号和液位信号进行采集 ， 应用 P I D算法实 现调节控制， 通过模拟量的扩展模块实现输入测量信号的 模 一 数转换及输出控制信号的数 一 模转换。上位机主要 由计算机和组态王软件构成。通过组态软件完成上位机 的测控界面设计， 实现上下位机之间的通信 ， 参数 的输入 输出传送 、 显示及控制曲线的监视。其余单元模块主要由 温度传感器、 液位传感器、 晶闸管和变频器等组成。它们 用来实现信号的传感变送、 信号的比较、 执行器的驱动及 执行操作。系统总体框图如图1所示。 图 1 设计总框图 2 主要硬件 配置 本 系统 中选取 德国西 门子公司推出的整体式小型可编 程控制器 7 - 2 0 0系列 P L C， 中央处理单元为新推 出的 C P U 作者简介 赵峰 1 9 7 9 一 ， 男 ， 江苏扬州人 ， 泰州职业 技术 学院讲 师 ， 工程硕 士 ， 研究方 向为计算机应用 、 机 电一体化。 1 9 4 h t t p ffZ Z H D ． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c a E - m a i l Z Z H D c h a in a j o u r n a 1 ． n e t ． c a 机械制造与自动化 电气 技术与 自动化 赵峰 基 于 P L C热工量综合测控 系统设计与 实现 2 2 4 X P A C ／ D C ／ R e l a y ， 该 C P U在本机体 中集成了2个 R S 一 4 8 5通讯口， 2个模拟量输人口， 1 个模拟量输出口， 1 4个数 字输人和 1 0个继电器输出。由于其可靠性高、 指令集丰 富、 实时性好、 通信模块强、 扩展模块丰富， 并且具有很高的 性价比， 因而广泛应用于各种场合中的检测、 监控和控制的 自动化。此外， 西门子 s 7 ． 2 0 0 P L C自带 P I D调节， 故可以 采用 P I D算法对采集过来的信号进行处理 。系统中 P L C的 I ／ O端子分配及接线如 图 2 所示 。 图 2 P L C的 I ／ o 端子分配及 接线图 变频器是用来控制水泵 电动机 ， 因而变频器应 当与水 泵电动机相匹配 。根据设计 ， 选用西门子全新一代标准变 频器 Mi c r o Ma s t e r 4 2 0 ， 其简单灵活， 采用模块化标准设计。 它适用于大多数普通用途的电动机变频调速控制场合， 具 有完善的控制功能 ， 在设置相关参数后可用于较高的电动 机控制系统， 一般情况下利用缺省的工厂设置参数就可以 满足控制要求 J 。 本系统的注水对象是实验水箱 ， 因而选用小扬程水泵 较佳 J 。水泵 扬程大约为提水高度 的 1 ． 1 5～1 ． 2 0倍 。考 虑到实验时提水高度大约在 3 m左右， 故实际所需的水泵 扬程在 5 n l 时即可满足系统要求。如果选取的水泵扬程 过大 ， 将使得富裕的扬程换取流量的增加 ， 流量增加 使得 水泵噪声加大。特别的流量增加还使得水泵电动机负荷 加大 ， 电流加大 ， 发热加大， 很可能烧坏电动机。因此， 选 择水泵时应使水泵铭牌上的扬程最好与所需扬程接近， 这 样的情况下， 水泵的效率最高， 使用会更经济。综合各方 面因素 ， 本系统选用 C Q型系列不锈钢磁力泵 1 4 C Q - 5 F 。 系统采用 WC Y ． U B插入式液位传感器。WC Y U B电 流型插人式液位计是在 WC Y U R的基础上通过变送模 块， 将电阻信号转换成相应的二线制 42 0 m A D C电流信 号输出。再配接 WC Y- 5 0 3型数显仪 ， 或 D C S或 P L C系 统 ， 可实 现液位的远距离检测 、 控 制和报警 。 目前， 可用的温度传感器有热电偶 、 热电阻等。通常 情况下， 随着温度的升高， 金属的电阻值具有正的温度系 数 ， 其大小 约 为 37 1 0 ℃ 。因此通 过测 量金 属 电 阻值得变化， 可以测量出其对应的温度。作为能够测量温 度的电阻体， 除了铂之外 ， 还有铜和镍等。但是铂的纯度 Ma c h i n e B u i l d i n g Au t o ma t io n ，De c 2 0 1 1， 4 0 6 1 9 4～1 9 7 高达9 9 ． 9 9 9 ％， 有着与众不同的优点， 诸如电阻值温度特 性稳定 ， 电阻的温度系数较大等， 因而铂成了本设计中较 为理想 的温度传感器 。本设计 中选用铂 电阻 T R R A I O 2 B 。 3 软件设计 软件设计部分主要分为 P L C主控程序和组态王监控 程序两部分。在下位机系统中， 液位传感器和温度传感器 分别采集到液位信号和温度信号， 经过转换后与设定参数 值 比较作差 ， 再将偏差信 号输入 P L C ， 利 用 P I D算法进 行 运算处理 ， 以实现对相应信号的调节控制。P L C控制程序 采用 S I MA T I C S T E P 7 一 MC R O ／ WI N 3 2编程软件编写， 它具 有 S T L ， L A D， F B D等编程方式， 能够解决复杂的 自动化任 务。本设计中控制程序使用梯形图指令编写， 主要由以下 程序块组成 主程序、 子程序 S B R 0和 中断程序 I N T 一 0 。 这样可以优化程序结构， 减少系统周期扫描的时问， 提高 运行效率。上位机采用组态王软件对监控系统进行设计 ， 不仅提供了可视化监控画面 ， 有利于实时现场监控； 而且 它能充分利用 Wi n d o w s的图形编辑功能 ， 方便地构成监控 画面， 并以动画方式显示控制设备的状态， 且具有报警窗 口、 实时趋势曲线等功能， 可便利的生成各种报表 J 。 3 ． 1 主程序设计 主程序负责对整个控制程序进行组织与管理， 如通电 时进行 系统初始化 ， 调用各个功能子程序等 。 3 ． 2 子程序设计 在子程序中， 先进行组态编程的初始化工作， 将 5个 ． 1 95 ． 电气技术与 自动化 赵峰 基 于 P L C热工量综合测控 系统设计与 实现 固定值参数 S P ， 磁 ， ， ， 7 D 填人 回路表。然后再设 置定时中断， 以便周期性地执行 P I D指令。子程序的设计 流程 如图 3所 示。 子 程 序 开 始 I l P l D 参数初始 化 I 设 定定时中断间隔1 0 0 r I 定时调用中断程序 图 3 子程序设计流程 图 3 ． 3中断程序设计 传感器采集 的模拟量信号送入 P L C模拟量输人口， 经 A ／ D转换送入 C P U处理。从 A I W0中获取输入值 ， 为 了增加稳定性， 在中断程序中， 首先连续采样 1 0次， 找出 最大值和最小值， 进行滤波处理 ， 再将模拟量输入模块提 供的过程变量 P V n转换成标准化的实数并填入 回路表； 然后设置 P I D指令的无扰动切换 ， 并执行 P I D指令， 使系 统由手动方式无扰动地切换到自动方式， 将参数 M ， s P ， P V 先后填入回路表， 完成回路表的组态编程 ， 从而实现 周期地执行 P I D指令； 最后将 P I D运算输出的标准化值 Mn转换为按工程量标定 的整数值， 最后送至模拟量输出 模块， 以实现对外部设备 的 P I D控制 J 。中断子程序的 设计流程如 图 4所示 。 3 ． 4组态 王监控 程序设计 “ 组态王 6 ． 0 x ” 是运行 于 M i c r o s o f t Wi n d o w s 9 8 ／ 2 0 0 0 ／ N T中文平台的中文界面的人机界面软件， 采用了多线程、 C O M组件等新技术， 实现了实时多任务， 软件运行稳定可 靠 。软件包主要 由工程浏览 器 T o u c h E x p l o r e r 、 工程 管理 器 P r o j Ma n a g e r 和画面运行系统 T o u c h V e w 三部分组 成。在工程浏览器中可以查看工程的各个组成部分， 也可 以完成数据库的构造、 定义外部设备等工作 ； 工程管理器 内嵌画面管理系统， 用于新工程的创建和已有工程的管 理。画面的开发和运行由工程浏览器调用画面制作系统 T O U C HM A K和工程运行系统 T O U C H V E W来完成的 。 “ 组态王” 把每一台与之通 讯的设备看作是外部设 备 ， 为实现组态王和外部设备的通讯 ， 组态王内置了大量 设备的驱动作为组态王和外部设备的通讯接 口， 在开发过 程中只需根据工程浏览器提供的“ 设备配置向导” 一步步 完成连接过程即可实现组态王和相应外部设备驱动的连 接。在运行期间， 组态王就可通过驱动接 口和外部设备交 换数据 ， 包括采集数据和发送数据／ 指令。每一个驱动都是 一 个 C O M对象， 这种方式使驱动和组态王构成一个完整的 系统， 既保证了运行系统的高效率 ， 也使系统有很强的扩展 图 4中断程序设计 性。建立应用工程大致可分为以下4个步骤 1 设计图形 界面； 2 构造数据库变量； 3 建立动画连接； 4 运行和调 试。本设计中应用组态软件开发的主界面如图5所示。 图 5 组态软件监控界面 4 调试 结果分 析 当上位机组态王应用软件和和主控系统 的 P L C程序 编译完成后， 对整个系统进行预定功能调试。闭合变频器 的手动开关， 水泵开始向水箱注水； 当达到一定的水位后 手动停止。通过组态王曲线画面来监视被测量是否达到 预设值。在调试过程中， 通过调整比 例系数 K P ， 积分时间 ．1 9 6．h t t p ffZ Z H D ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a in a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与自动化 电气技 术与 自动化 赵峰 - 基 于 P L C热工量综合测控 系统设计与 实现 常数 T I 和微分时间常数 T D来使被控量尽快达到稳态值 ， 以取得较为满意的控制效果。 总之， 整个系统具备了进水功能、 液位检测功能和温度 检测功能。对水箱加热时， 通过 P L C处理后能将温度控制 在 0℃ 一 8 0℃范围内， 其精度能够达到 3 ％。对液位控 制时， 当液位达不到指定值时水泵会对水箱进行送水； 当液 位达到指定值后水泵会停止送水 ， 也基本达到预定要求。 当然 ， 调试过程 中也 发现不尽 如人意 的方面。在 P L C 程序算法中， 由于是连续采样 l O次后再进行中值滤波， 使 得输出曲线波动较大 ， 有待进一步改进优化算法。 参考文献 [ 1 ]吴作 明． 工控组态软件与 P L C应用技术 [ M] ． 北京 北 京航空 航 天大学 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ]夏小斌．西 门子 S 7 _ 2 0 0系列可编程控制器 [ J ] ． 设计与研究 ， 1 9 9 8 ， 3 9 7 - 9 9 ． [ 3 ]王殿睿．西 门子 P L C与变频 器通讯 的应 用 [ J ] ． 电工技 术 ， 2 0 0 8 ， 1 3 1 1 2 - 1 1 9 ． [ 4 ]吴登昊 ， 王洋． 基 于 P L C的水泵测试 控制系统设 计 [ J ] ． 流体 机械工程 ， 2 0 0 8 ， 4 1 9 5 - 2 0 1 ． [ 5 ]彭继慎 ， 孟庆铸 ， 张静 ， 等．基于 P L C和组态王 的油库 收发油 控制系统[ J ] ． 制造业 自动化 ， 2 0 0 8 ， 2 3 2 5 5 - 6 1 ． [ 6 ]祁鸿芳 ， 王淑红． P I D算 法在西 门子 P L C模 拟量 闭环控制 中 的实现[ J ] ． 机床 电机 ， 2 0 0 5 ， 9 3 3 - 3 7 ． [ 7 ]严盈富． 监控组 态软件 与 P L C应用 [ M] ． 北京 人 民邮 电出版 社 ． 2 0 0 6 ． 收稿 日期 2 0 1 1 0 50 5 上接第 1 3 9页 ． 种群平均适应度值 ； ．厂在要交叉的两个个体中较大的适应度值； ，要变异的个体适应度值。 5 交叉与变异操作。交叉操作是不同染色体间的交 叉配对 ， 在该测试选择 优化 中就采用 这种交 叉策 略 ， 保 证 交叉过程 中种群 的多样 性。变异操作是对基 因进行突变 ， 置换成其他基因， 在这里也采用该策略。 6 接种疫苗。对当代每个个体， 进行疫苗的接种， 即 将个体特征跟提取特征进行对比， 如果相似度大于近亲指 标 ， 就将该个体予以剔除 ， 用新生个体对其进行替换。 7 免疫选择与种群替换。对已经进行了疫苗接种的群 体， 按照其适应度值进行优胜劣汰。然后， 将经过交叉、 变异 和免疫选择得到的适应能力强的个体替换掉原先的种群。 8 停止条件。由于该测试选择优化的最优解预先不 清楚， 很难合理的预设一个进化代数。因此采用种群中的 最优个体在连续若干代进化后没有改进或平均适应度在 连续若干代基本没有改进时停止。 3 ． 3 问题 求解 考虑该选择的规模较小， 选取参数为 初始群体个数 M2 0 ， 最大进化代数 G5 0 。系统设计要求测试性指 标 故障检测率为 9 0 ％， 故障隔离率为9 0 ％。假设各个测 试的测试费用相等， 均设为 1 。经编程运行后， 搜索得最 优测试集 { ， ， ， ， ， ， ， ， 。 ， ， } ， 适应度值， 3 ． 1 2 4 6 ， 测试性指标 故障检测率为 1 0 0 ％、 故障隔离率为 1 0 0 ％。历代适应度变化曲线如图4所示， 该算法在第 7代找到最优解。测试选择的规模越大， 越能 体现算法 的优越性 。 4 结语 通过对某型挖掘机制动系统的故障模式以及测点布 置的分析， 建立了其故障源与测试对应矩阵， 利用自适应免 疫遗传算 法有效解决 了该系统 的测试性选择 问题 。从 问题 的求解过程来看 ， 该方 法能够在满足 系统测试性指标 要求 Ma c h i n e B u i ld i n g 8 Au t o m a t i o n ， De c 2 0 1 1 ， 4 0 6 1 9 4～ 1 9 7 的前提下， 准确快速获得全局最优解， 综合性能比较好， 对 解决复杂系统测试点优化选择问题有很好的借鉴作用。 参考文献 图 4 适应度变化 曲线 [ 1 ]陈希祥 ， 邱静 ， 刘 冠军． 基于混合二进制粒子群一 遗传算法 的测 试优 化 选 择 研 究 [ J ] ．仪 器 仪 表 学 报 ， 2 0 0 9， 3 0 8 1 6 7 5 1 6 8 0． [ 2 ]陈霞， 陈理君， 陈义庆， 等． 自适应免疫算法在轮胎花纹节距 参数优化中的研究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 1 0 ， 2 9 8 9 5 - 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