无锡科技职业学院 基于PLC的流量控制
使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。PLC通过模拟量I/O模块，实现模拟量与数字量之间的A/D、D/A转换，并对模拟量进行闭环PID控制。
1.2 方案论证
本毕业设计原理是利用扩展模块EM235进行数据采集，然后把采集到的数据利用程序进行工程量转换，给定量与输入量相减得出换，送到执行器，从而构成的是单闭环控制。
采用PID，具有以下优点：（1）增量算法控制误动作影响小。（2）增量算法控制易于实现手动/自动无扰动切换。（3）不产生积分失控，易获得较好的调节品质。在实际应用中，在以步进电机或多圈电位器作执行器件的系统中，则采用增量式PID算法。
第二章 系统的理论分析及控制方案确定
2.1控制方案的比较和确定
流量控制系统主要有流量变送器、变频器、恒流控制单元、电动机组成。系统主要的任务是利用恒流控制单元使变频器控制一台电动机，实现管道流量的恒定，同时还要能对运行数据进行传输和监控。根据系统的设计任务要求，有以下两种方案可供选择：
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(1) 通用变频器+单片机(包括变频控制、调节器控制) +流量传感器
这种方式控制精度高、控制算法灵活、参数调整方便，具有较高的性价比，但开发周期长，程序一旦固化，修改较为麻烦，因此现场调试的灵活性差，同时变频器在运行时，将产生干扰，变频器的功率越大，产生的干扰越大，所以必须采取相应的抗干扰措施来保证系统的可靠性。该系统适用于某一特定领域的小容量的变频恒压供水中。
(2) 通用变频器+PLC(包括变频控制、调节器控制)+流量传感器
这种控制方式灵活方便。具有良好的通信接口，可以方便地与其他的系统进行数据交换，通用性强；由于PLC产品的系列化和模块化，用户可灵活组成各种规模和要求不同控制系统。在硬件设计上，只需确定PLC的硬件配置和I/O的外部接线，当控制要求发生改变时，可以方便地通过PC机来改变存贮器中的控制程序，所以现场调试方便。同时由于PLC的抗干扰能力强、可靠性高，因此系统的可靠性大大提高。该系统能适用于各类不同要求的恒压供水场合，并且与供水机组的容量大小无关。
通过对以上两种方案的比较和分析，可以看出第二种控制方案更适合于本系统。这种控制方案既有扩展功能灵活方便、便于数据传输的优点，又能达到系统稳定性及控制精度的要求。
2.2 流量控制系统的组成及原理图
基于PLC的流量控制系统主要有变频器、可编程控制器、流量变送器和水泵电机一起组成一个完整的闭环调节系统，该系统的控制流程图如图2-1所示：
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图2-1流量控制系统流程图
从图中可看出，系统可分为：执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为：
(l) 执行机构：执行机构是由一个水泵电机组成，它用于将水供入管道，通过变频器改变电机的转速，以达到控制管道水流量的目的。
(2) 信号检测机构：在系统控制过程中，需要检测的信号包括管道水流量信号，其中水流量信号是本控制系统的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。
(3) 控制机构：本系统的控制机构包括控制器(PLC)和变频器两个部分。控制器是整个流量控制系统的核心。控制器直接对系统中的流量信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵电机)进行控制；变频器是对水泵电机进行转速控制的单元，其跟踪控制器送来的控制信号改变水泵电机的转速控制。
流量控制系统以供水出口管道水流量为控制目标，在控制上实现出口管道的实际流量跟随设定的水流量。设定的水流量可以是一个常数，也可以是一个时间分段函数，在每一个时段内是一个常数。水流量控制系统的结构框图如图2-2所示：
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给定 — + PID 变频器 水泵电机 流 量 流量变送器 图2-2水流量控制系统框图
水流量控制系统通过安装在管道上的流量变送器实时地测量参考点的水流量，检测管道出水流量，并将其转换为4—20mA的电信号，此检测信号是实现水流量恒定的关键参数。由于电信号为模拟量，故必须通过PLC的A/D转换模块才能读入并与设定值进行比较，将比较后的偏差值进行PID运算，再将运算后的数字信号通过D/A转换模块转换成模拟信号作为变频器的输入信号，控制变频器的输出频率，从而控制水泵电机的转速，进而控制管道中的水流量，实现水流量恒定。
2.3水流量系统控制流程
水流量系统控制流程如下:
(l) 系统通电，按照接收到有效的自控系统启动信号后，首先启动变频器拖动电动机工作，根据流量变送器测得的管道实际流量和设定流量的偏差调节变频器的输出频率，控制水泵电机的转速，当输出流量达到设定值，转速才稳定到某一定值，这期间水泵电机工作在调速运行状态。
(2) 当管道水流量减小时，流量变送器反馈的水流量信号减小，偏差变大，PLC的输出信号变大，变频器的输出频率变大，所以水泵电机的转速增大，供水量增大，最终水泵电机的转速达到另一个新的稳定值。反之，当管道水流量增加时，通过流量闭环，减小水泵电机的转速到另一个新的稳定值。
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