关键词:过程控制 仪表 系统
中图分类号:TH86 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0016-01
1、过程控制仪表与控制系统
如图所示是一个单元组合仪表构成的简单控制系统。图中控制对象代表生产过程中的某个环节,控制对象输出的被控变量(T P L F等),经变送、转换成相应的信号,送显示、记录、调节与给定单元来的给定值进行比较,将偏差值进行一定运算后,发出信号控制执行单元的动作,将阀门开大或关小,改变控制量,直到被控变量与给定值相等。
2、控制系统的工作原理
2.1 液位控制系统
图中,检测变送器检测到水位高低,当水为高度与正常给定水位之间出现偏差时,调节器就会立刻根据偏差的大小去控制给水阀,使水位回到给定值上。从而实现水位的自动控制。
2.2 温度控制系统
它由蒸汽加热器、温度变送器、调节器和蒸汽流量阀组成。控制目标是保持出口温度恒定。当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时,通过温度仪表测得的变化,并将其信号送至调节器与给定值进行比较,调节器根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至调节阀,改变蒸汽量维持出口温度。
2.3 流量控制系统
它由管路、孔板和差压变送器、流量调节器和流量调节阀。控制目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时,流量将偏离设定值。利用孔板作为检测元件,把孔板上、下游的差压接至差压变送器,将流量信号标准信号;该信号送至调节器与给定值进行比较,流量控制器根据偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀,改变阀门开度,就调整了管道中流体的阻力,从而影响了流量,使流量维持在设定值。
自控系统由被控对象、检测元件、控制器和调节阀四部分组成。组成方框图如下:
3、控制系统的分类
由于控制技术的广泛应用以及控制理论的发展,使得控制系统具有各种各样的形式,但总的来说分为两大类,即开环和闭环控制系统。
3.1 开环控制
这种控制方式又分两种、一种是按设定值进行控制。其操纵变量与设定值保持一定的函数关系,当设定值变化时,操纵变量随之变化。另一种是按扰动量进行控制,即所谓前馈控制,如图:在蒸汽加热器中,若负荷为主要干扰,如果使蒸汽流量与冷流体流量保持一定关系,当扰动出现时,操纵变量随之变化。
3.2 闭环控制系统
系统的输出(被控变量)通过测量、变送环节,又返回到系统的输入端,与给定信号比较,以偏差的形式进入控制器,对系统起控制作用,整个系统构成一个封闭的反馈回路,这种控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。
4、结语
通过上面论述表明,自动化程度的完善就等于生产力的提高,虽然先期阶段增大了投资费用,然而在长期正常的运转中可以实现各项能源的节约,其特点十分显着,其取得的收益远远大于先期的投入。
参考文献
关键词:过程控制 仪表 系统
中图分类号:TH86 文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2011)03-0016-01
1、过程控制仪表与控制系统
如图所示是一个单元组合仪表构成的简单控制系统。图中控制对象代表生产过程中的某个环节,控制对象输出的被控变量(T P L F等),经变送、转换成相应的信号,送显示、记录、调节与给定单元来的给定值进行比较,将偏差值进行一定运算后,发出信号控制执行单元的动作,将阀门开大或关小,改变控制量,直到被控变量与给定值相等。
2、控制系统的工作原理
2.1 液位控制系统
图中,检测变送器检测到水位高低,当水为高度与正常给定水位之间出现偏差时,调节器就会立刻根据偏差的大小去控制给水阀,使水位回到给定值上。从而实现水位的自动控制。
2.2 温度控制系统
它由蒸汽加热器、温度变送器、调节器和蒸汽流量阀组成。控制目标是保持出口温度恒定。当进料流量或温度等因素的变化引起出口物料的温度变化时,通过温度仪表测得的变化,并将其信号送至调节器与给定值进行比较,调节器根据其偏差信号进行运算后将控制命令送至调节阀,改变蒸汽量维持出口温度。
2.3 流量控制系统
它由管路、孔板和差压变送器、流量调节器和流量调节阀。控制目标是保持流量恒定。当管道其他部分阻力发生变化或有其他扰动时,流量将偏离设定值。利用孔板作为检测元件,把孔板上、下游的差压接至差压变送器,将流量信号标准信号;该信号送至调节器与给定值进行比较,流量控制器根据偏差信号进行运算后将控制命令送至控制阀,改变阀门开度,就调整了管道中流体的阻力,从而影响了流量,使流量维持在设定值。
自控系统由被控对象、检测元件、控制器和调节阀四部分组成。组成方框图如下:
3、控制系统的分类
由于控制技术的广泛应用以及控制理论的发展,使得控制系统具有各种各样的形式,但总的来说分为两大类,即开环和闭环控制系统。
3.1 开环控制
这种控制方式又分两种、一种是按设定值进行控制。其操纵变量与设定值保持一定的函数关系,当设定值变化时,操纵变量随之变化。另一种是按扰动量进行控制,即所谓前馈控制,如图:在蒸汽加热器中,若负荷为主要干扰,如果使蒸汽流量与冷流体流量保持一定关系,当扰动出现时,操纵变量随之变化。
3.2 闭环控制系统
系统的输出(被控变量)通过测量、变送环节,又返回到系统的输入端,与给定信号比较,以偏差的形式进入控制器,对系统起控制作用,整个系统构成一个封闭的反馈回路,这种控制系统统称为闭环控制系统或反馈控制系统。
4、结语
通过上面论述表明,自动化程度的完善就等于生产力的提高,虽然先期阶段增大了投资费用,然而在长期正常的运转中可以实现各项能源的节约,其特点十分显着,其取得的收益远远大于先期的投入。
参考文献
关键词：过程控制 PID控制器 参数整定
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）10-0250-01
一、过程控制系简介
1.过程控制的任务
过程控制的任务就是在了解、掌握工艺流程和生产过程的静态和动态特性的基础上，根据工业生产对过程控制安全性、经济性和稳定性的要求，应用理论对控制系统进行分析和综合，最后采用适宜的技术手段加以实现。
2.过程控制系统的组成
过程控制系统是指工业生产过程中自动控制系统的被控量是温度、压力、流量、液位、成分等这样一些过程变量时的系统。
3.过程控制的特点
（1）系统由过程检测控制仪表组成。（2）被控过程的多样性。（3）控制方案的多样性。（4）过程控制的控制过程多属慢过程，而且多半属参量控制。（5）定值控制是过程控制的一种主要控制形式。
4.控制系统的控制质量指标
一个控制性能良好的过程控制系统，再受到外来扰动作用或给定值发生变化后，应平稳迅速准确地恢复到给定值上。
二、压力过程控制系统设计
压力的测量和控制在生产过程自动化中具有特殊的地位。保持实际生产过程的压力为一个稳定值，对生产过程有着至关重要的作用。考虑到经济成本等问题，本系统采用单回路控制。下面对整个系统作详细介绍：
1.工作流程
1.1工艺简况
在工业生产过程中，气体测量罐设备应用十分普遍，为了保证生产的正常进行，空气进出量需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求空气罐内的气体压力需维持在某给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证空气罐压力不致过大。本系统要求超调量小于5%。
1.2工作流程
本系统使用的介质为空气。空气从空气压缩机进入系统空气入口，经过节流阀的调节后，进入过滤器过滤，过滤后的空气进入减压阀1，减压阀1的出口压力一般保持在1kg/cm^调节后的空气进入减压阀2，减压阀2的出口压力一般保持在0.55kg/cm^这时空气的流向有两种方式，当扰动电磁阀打开时，空气一部分经过节流阀、扰动电磁阀流向外界；一部分进入控制阀。当扰动电磁阀没有打开时，空气全部进入控制阀，经过控制阀的空气最后流进测量罐中。
2.压力过程控系统建模
用测试法建立被控对象的数学摸型，.首要的问题就是选定模型的结构。
自衡单容过程对象的对象特性的一般形式为 ，为建立其数学模型，可通过测量其
阶跃响应的方法求得对象特性参数K、T、τ。
3.压力过程控系统的设计方案
3.1被控参数选择
被控参数的选择对于稳定生产、提高产品的产量和质量、改善劳动条件、保护环境卫生等具有重要意义。若被控参数选择不当，则无论组成什么样的控制系统，选用多么先进的过程检测控制仪表，均不能达到预期的控制效果。由于本系统是模拟实际生产过程的一套实验过程控制系统，被控参数压力在系统设计之前已决定。
3.2控制参数选择
扰动作用是由扰动通道对过程的被控参数产生影响，力图使被控参数偏离给定值；控制作用是由控制通道对过程的被控参数起主导影响，以使被控参数尽力维持在给定值。在分析与设计控制回路时，要深入研究过程的特性，认真分析各种扰动，正确选择控制参数。
在本系统中，被控参数是压力，模拟的生产过程是测量罐，测量罐的容积和湿度在某一实验中几乎是不变的，因而测量罐中的压力只能由气体的物质的量决定，控制参数也就唯一确定了，即：气体的物质的量。
3.3执行器
调节阀的选择：执行器由执行机构和调节阀组成。在过程控制中他接受调节器输出的控制信号并转换成角位移或直线位移，来改变调节阀的流通截面积，以控制流入或流出被控过程的物料或能量，从而实现对过程参数的自动控制。
调节阀的尺寸选择根据对象的惯性特征选管径。在生产过程中，调节阀气开、气关形式的选择，主要是从工艺生产的安全角度来考虑，当气源一旦中断时，阀门处于全开还是全关状态，在生产上要能保证设备和人身的安全。所谓气开式，即当信号压力P>0.02Mpa时，阀开始打开，也就是说“有气”时阀开，气关式则相反。
因为调节阀的特性对整个过程控制系统的品质有很大的影响。理想流量特性就是在调节阀前后压差一定的情况下得到的流量特性。它取决于阀芯的形状。阀芯的形状有快开、直线、抛物线和等百分比等4种，其相应的流量特性有直线流量特性、对数（或称等百分比）流量特性、抛物线流量特性、快开流量特性。
综上考虑，本系统根据选用气开式气动调节阀V-5110，其流量特性为直线流量特性。动力源由空气压缩机提供的。
3.4测量变送
测量和变送是解决一个信息获得和传递问题。信息的测量和边送必需迅速可靠地反映被控参数的实际变化情况，为系统设计提供准确的控制依据。本系统选用差压式压力传感器作为检测和反馈元件，将测量罐的压力值转化为电信号，被测压力值为大气压力值加压差。
3.5调节器
本系统选用东芝EC-311型调节器
通常，选择调节器动作规律时应根据对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还应考虑系统的经济性以及系统投入方便等。
广义对象控制通道时间常数较大或容积迟延较大时，应引入微分动作。如工艺容许有残差，可选用比例微分动作；如工艺要求无残差时，则选用比例积分微分动作。
关键词：过程控制系统，液位，测量原理，控制方式，测量设备
1 前言
德国FESTO公司研制的“PCS” 即“过程控制系统”，是一套集目前工业控制中较为典型的控制系统（液位控制、流量控制、压力控制、温度控制）于一体的实验装置（见图1.1）。实验装置由四个操作站和一个中间调度站组成，分别实现四种典型环节（液位、流量、压力、温度）的检测与控制。每站由相应的检测传感器、控制器和电动执行器构成。控制器由中央处理单元、信号处理单元和驱动电路等组成，可以实现开环、闭环 PID算法控制开度阀（比例阀）动作和直流电动机的调速。各站之间通过管道及开关阀（电磁阀）连接，由中间站的PLC控制开关阀导通，可形成耦合系统。
2 液位系统简介
本文中的液位系统如图1所示。
图1液位系统
液位控制系统是FESTO四个独立站中的一站，包括一高一低两个容器（通过中间连接管道上手动阀的开闭控制其通断）、超声波液传感器、直流电机、直流电机调速器；以及四个系统都包含的向中间调度站PLC传送开关量的电容接近传感器，和PLC控制的电磁开度阀。
3 相关测量原理
液位测量是料位测量的一类。许多生产过程都要求监视工艺流程中各种容器内的物料贮量和控制容器进出料量的平衡。免费论文。为此目的所需要的信号当前主要通过测量容器中的物料表面位置得到。[1]
料位包括液位和固体颗粒的料位，本文采用的料位测量方法是超声波式，利用超声波在一定状态介质中的传播具有一定速度这一特性，当声源与料位的距离变化时，回声的时间（从发射到接收超声波的时间间隔）也要改变，这是非接触式测量，可用于液位和固体颗粒料位测量。
4测量设备
超声波液位传感器
它是基于声波的产生和在物体上的反射探测原理。正常情况下，大气作为了超声波的载体。声发生器在短时间内启动，发射出超声脉冲，人耳无法听到。随着超声脉冲的发射，超声波被固定的物体所反射，并返回给接收器。超声脉冲的持续时间可用电子方法评估。在一个固定的范围内，在超声脉冲信号持续时间，输出信号是成比例的。
电机/泵：
不带调速，只起搅和作用；
离心泵适合于冷水或加热水的再循环；泵不能干燥的使用，也不能用海水或受污染的液体。
（3）电容接近传感器：
电容接近传感器的工作原理是基于RC谐振电路中电容器的电容变化来估算的。当有物体接近传感器时，电容增加。这导致了RC电路振荡作用的变化。LED的黄色发光二极管指示切换状态。电容的变化很大程度上依靠距离，和各自材质的尺寸以及介电常数【3】。
（4）电机调速器：
通过改变输入电压来改变泵的转速，输入-10V――+10V，输出-24V――+24V 【4】。
5 控制方式
过程控制系统按照控制方式的不同分为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制等多种方式【2】。免费论文。本液位控制系统采用闭环单回路控制方式，如图2所示。
关键词：过程控制系统，液位，测量原理，控制方式，测量设备
1 前言
德国FESTO公司研制的“PCS” 即“过程控制系统”，是一套集目前工业控制中较为典型的控制系统（液位控制、流量控制、压力控制、温度控制）于一体的实验装置（见图1.1）。实验装置由四个操作站和一个中间调度站组成，分别实现四种典型环节（液位、流量、压力、温度）的检测与控制。每站由相应的检测传感器、控制器和电动执行器构成。控制器由中央处理单元、信号处理单元和驱动电路等组成，可以实现开环、闭环 PID算法控制开度阀（比例阀）动作和直流电动机的调速。各站之间通过管道及开关阀（电磁阀）连接，由中间站的PLC控制开关阀导通，可形成耦合系统。
2 液位系统简介
本文中的液位系统如图1所示。
图1液位系统
液位控制系统是FESTO四个独立站中的一站，包括一高一低两个容器（通过中间连接管道上手动阀的开闭控制其通断）、超声波液传感器、直流电机、直流电机调速器；以及四个系统都包含的向中间调度站PLC传送开关量的电容接近传感器，和PLC控制的电磁开度阀。
3 相关测量原理
液位测量是料位测量的一类。许多生产过程都要求监视工艺流程中各种容器内的物料贮量和控制容器进出料量的平衡。免费论文。为此目的所需要的信号当前主要通过测量容器中的物料表面位置得到。[1]
料位包括液位和固体颗粒的料位，本文采用的料位测量方法是超声波式，利用超声波在一定状态介质中的传播具有一定速度这一特性，当声源与料位的距离变化时，回声的时间（从发射到接收超声波的时间间隔）也要改变，这是非接触式测量，可用于液位和固体颗粒料位测量。
4测量设备
超声波液位传感器
它是基于声波的产生和在物体上的反射探测原理。正常情况下，大气作为了超声波的载体。声发生器在短时间内启动，发射出超声脉冲，人耳无法听到。随着超声脉冲的发射，超声波被固定的物体所反射，并返回给接收器。超声脉冲的持续时间可用电子方法评估。在一个固定的范围内，在超声脉冲信号持续时间，输出信号是成比例的。
电机/泵：
不带调速，只起搅和作用；
离心泵适合于冷水或加热水的再循环；泵不能干燥的使用，也不能用海水或受污染的液体。
（3）电容接近传感器：
电容接近传感器的工作原理是基于RC谐振电路中电容器的电容变化来估算的。当有物体接近传感器时，电容增加。这导致了RC电路振荡作用的变化。LED的黄色发光二极管指示切换状态。电容的变化很大程度上依靠距离，和各自材质的尺寸以及介电常数【3】。
（4）电机调速器：
通过改变输入电压来改变泵的转速，输入-10V――+10V，输出-24V――+24V 【4】。
5 控制方式
过程控制系统按照控制方式的不同分为开环控制、闭环控制，单回路控制、串级控制、比值控制等多种方式【2】。免费论文。本液位控制系统采用闭环单回路控制方式，如图2所示。
Abstract: The so-called process control system refers to the realization of automatic control of production process of system. As stated in the introduction, in petroleum, chemical production process, generally includes the content of automatic detection, automatic protection, automatic regulation and automatic controlling. Automatic detection system can complete "understanding" production task; Signal interlocking protection system could only take safety measures when process conditions are into some kind of limit state to provent production accidents. Automatic control system can be only predefined procedures in accordance with the operation of a cyclical or regularity, only automatic adjustment system can automatically eliminate all sorts of interference factors on the influence of process parameters, that they remain in prescribed numerical to ensure production in normal or the best maintain process operation condition.
关键词：过程控制；自动调节；程序控制
Key words: process control; automatic regulation; program control
中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）12-0058-01
1 自动调节系统的组成
自动调节系统是在人工调节的基础上产生和发展起来的，自动调节系统的组成包含三部分：
1.1 测量变送器 测量实际液位高度并将其转换成统一的标准信号。
1.2 调节器 接收变送器送来的液位信号，与事先设定好的工艺希望的液位值即给定值进行比较得出偏差，然后根据一定的运算规律进行运算，然后将运算得出的调节器命令用统一标准信号发送出去。
1.3 执行器 通常指调节阀，它和普通阀的功能一样，只不过它能自动地根据调节器送来的调节命令改变阀门的开度。
2 自动调节系统的分类
2.1 定值调节系统 所谓定值调节系统就是给定值是恒定的调节系统。在工艺生产中，如果要求调节系统的被调参数保持在一个生产指标上不变，或者说要求工艺参数的给定值不变，那么就要采用定值调节系统。在定值调节系统中，引起被调参数波动的原因是各种干扰，对于这类调节系统，设计分的重点是在存在干扰的情况下如何将被调参数控制在所希望的给定值上。石油、化工生产中大多数调节系统属于这种类型。
2.2 随动调节系统（或称自动跟踪系统） 随动调节系统即给定值不是固定的，是随时间不断变化的，而且这种变化不是预先规定好的，即给定值是随机变化的。随动调节系统时目的就是使所控制的工艺参数准确而快速地跟随给定值的变化而变化。比如各种变送器均可看作是一个随动调节系统，它的输出应严格、及时地随输入而变化，再比如后面将要介绍的比值调节系统、串级调节系统中的副回路都是随动调节系统的一些例子。
2.3 程序控制系统 这类系统的给定值也是变化的，但它是一个已知的时间函数，即生产指标需按一定的时间程序变化。近年来，随着微机的广泛应用，为程序调节系统提供了良好的技术工具与有利条件。
3 自动调节系统的过渡过程
当调节系统受到外界干扰信号或给定值变化信号时，被调参数都会被迫离开原来的平衡状态而开始变化，只有当调节作用重新找到一个合适的新数值来平衡外界干扰或给定值的变化时，此系统才可处于新的平衡状态。因此，调节系统的过渡过程实际上是：当调节系统在外界干扰或给定干扰作用下，从一个平衡状态过渡到另一个新的平衡状态的过程，它是一个调节系统的调节作用不断克服干扰影响的过程。
自动调节系统的过渡过程直接表示了调节系统质量的好坏，与生产中的安全及产品产量、质量有着密切的联系，因此研究过渡过程具有相当重要的意义。
4 自动调节系统的静态与动态
自动调节系统的过渡过程包括了静态与动态。把被调参数不随时间变化的平衡状态称为系统的静态，而把被调参数随时间变化的不平衡状态称为系统的动态。
当一个自动调节系统的给定和外界干扰恒定不变时，整个系统就处于一个相对的平衡状态，系统的各个组成环节如调节器、调节阀、变送器等都暂不动作，它们的输出信号都处于相对静止状态，这种状态就是上述的静态。注意这里所指的静态与习惯中所讲的静态不同。习惯中所说的静态都指静止不动，而在自动化领域中的静态是指各参数（或信号）的变化率为零。如果一个系统原来处于相对平衡状态即静态，由于干扰的作用，破坏了这种平衡。被调参数就会变化，从而使调节器等自动化装置也就会改变调节作用以克服干扰的影响，并力求使系统恢复平衡状态。从干扰的发生，经过调节，直到系统重新建立平衡，在这一段时间中整个系统的各个环节和参数都处于变动状态之中，这种状态就称之为动态。
在研究调节系统的过渡过程时，虽然研究其静态是重要的，但研究其动态更为重要。因为在干扰引起系统变动后，需要知道系统的动态情况，即被调参数是如何运动的，并搞清系统究竟能否建立新的平衡和怎样去建立平衡，干扰作用总是会不断产生，调节作用也就不断地去克服干扰作用的影响，所以自动调节系统总是处在运动状态之中，而静态或平衡是暂时的，因此，研究自动调节系统，重点要研究过渡过程的动态。
5 分析自动调节系统常用的干扰形式――阶跃干扰
控 制 统设 计
系
目录
1．系统控制要求 ······························································································ 4 2．系统硬件设计 ······························································································ 4
2.1 方案论述····························································································· 4 2.2 主要控制器件选择 ················································································ 6
2.2.1 PLC的选择 ················································································· 6 2.2.2变频器的选择 ·············································································· 7 2.2.3温度变送器的选择 ········································································ 8 2.2.4流量变送器的选择 ········································································ 9 2.2.5 压力变送器的选择 ······································································· 9 2.2.6液位变送器的选择 ······································································· 10 2.2.7 触摸屏的选择 ············································································ 10 2.2.8 A/D模块的选择 ·········································································· 11 2.2.9 D/A模块的选择 ·········································································· 12 2.3 系统其它设备及元器件规格 ··································································· 14 2.4 系统电气原理 ····················································································· 14 3．系统软件设计 ····························································································· 16
3.1 变频器配置 ························································································· 16
3.1.1 变频器配置参数 ········································································· 16 3.1.2 FR-D700系列的操作面板 ······························································ 17 3.1.3 变频器的运行模式 ······································································ 18 3.2 PLC程序设计 ····················································································· 19 3.3 触摸屏界面设置 ·················································································· 20 4．安全文明规范操作 ······················································································· 26 5．系统安装与调试 ·························································································· 26
5.1 系统安装···························································································· 26 5.2 系统调试···························································································· 26
5.2.1 硬件调试 ·················································································· 26 5.2.2 软件调试 ·················································································· 27
6．总结 ········································································································· 27 7．附录 ········································································································· 28
2
摘要
【摘要】随着科技的发展社会的进步，人们对工业控制的要求越来越高。本文主要介绍了如何利用触摸屏、变频器、PLC 、AD 模块、DA 模块与各种变送器设计出过程控制系统。利用该系统来准确、及时、有效的控制温度、压力、流量和液位。
【关键词】过程控制；触摸屏；变频器；PLC ；PID 运算。
3
1、系统控制要求
液位、压力、流量过程控制系统由一台帕斯卡微泵驱动，该泵的速度利用三菱PLC 由PID 指令运算产生的数字量经D/A转换成的模拟量控制，以实现恒液位、恒压力、恒流量；恒温度过程控制采用加热棒控制。
（1）系统配置：PLC （含 D/A、A/D模块） 、变频器、触摸屏、帕斯卡微泵、液位计变送器、压力变送器、涡轮流量变送器、温度变送器。
（2）系统连接：从工作台的电源板用安全插线引出电源到电源端子排，变频器连接 PLC的 D/A ，触摸屏利用串口通讯连接 PLC ，用于参数设定及显示，压力、流量、液位及温度传感器与A/D模块连接。
（3）触摸屏界面编制：开关、指示灯在触摸屏第一页显示，液位、流量、压力、温度在此页面选择。液位、流量、温度、压力页面分别显示每个传感器所对应的实际值、设定值和对P 、I 、D 的设置。
2、系统硬件设计
2.1 方案论述
本系统通过PLC 、变频器实现了对电动机的转速控制，并通过触摸屏实现了实际设定和实测数值的显示。通过编写程序使得PLC 输出变频器的启动信号，同时通过PLC （A/D模块）的运算处理把通过液位传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器采集的这一模拟量（电流）转换成数字量输入，PLC （D/A模块）通过运算输出启动信号和频率信号转换成的模拟量（电流信号）给变频器，变频器按照给定的频率信号，实时输出不同频率的电流从而改变电机的转速， PLC和触摸屏进行通讯，把传感器读出的这一数据量通过PLC 运算在触摸屏上进行显示。本系统是实时信号输入，实时反馈信号，并且实时显示数据值。
该系统的主要硬件配置为PLC 、变频器、触摸屏、SBWZP 型温度变送器、LWGY-A 型涡轮流量传感器、AOB-131型压力变送器、GB2100A 型液位传感器、加热棒各一个和一台三相异步电机，其框图如图2-1所示, 其软件流程图如2-2所示。
4
图2-1 系统主要硬件
5
图2-2软件流程图
2.2 主要控制器件选择
2.2.1 PLC的选择
由于此控制系统采用液位传感器、压力变送器、流量传输器、温度变送器对水位、水压力、水流量、水温进行实时测量，并根据设定值计算控制电机的转速、加热棒加热时间，并将此数值和温度值反馈至触摸屏加以显示。因此，在选择PLC 时，要考虑PLC 的功能是否满足题目要求，而且在在根据实验室的现有设备，
6
本系统选择了FX3U 系列的PLC ，FX3U 系列PLC 是FX2N 系列的升级产品，具有功能强大、速度快、容量大、性价比高等特点完全满足此控制系统的控制要求。PLC 另外承担的任务是通过输出点的开关信号控制变频器的启停、脉冲信号控制继电器的闭合，因此在选择PLC 输出点类型时，采用继电器、晶体管输出型均可，综上所述，采用实验室现有的PLC 型号：FX3U-32M 作为系统的控制器，各部位名称如图2-6所示。
【1】 上盖板 【2】 电池盖板 【3】 连接特殊适配器
用的卡扣
【11】 连接扩展设备用的连接器盖板
【4】 功能扩展板部分的
空盖板 【5】 RUN/STOP开关
【6】 连接设备用的连接口 【7】 安装DIN 导轨用的卡扣
【13】 显示输出用的LED 【12】 显示运行状态的LED 【9】 显示输入用的LED 【10】 端子排盖板
【8】 型号显示
图2-6三菱FX3u 型PLC-32MR 的各部位名称
三菱FX3u-32M 型PLC 的主要特点有可编程控制器上直接接线的输入输出（最大256点）和网络（CC-Link ）上的远程I/O（最大256点）的合计点数可以扩展到384点；输入输出的扩展设备可以连接FX3u 系列的输入输出扩展单元/模块；可以通过内置开关进行RUN/STOP的操作，也可以从通用的输入端子或设备上发出RUN/STOP的指令；通过计算机用的编程软件，可以在可编程控制器RUN 时更改程序。 2.2.2变频器的选择
变频器在此控制系统中主要根据实际反馈的数值对三相导步电动机进行调速，根据系统设计方案中，采用变频器的模拟量输入功能即可满足题目要求，对变频器的其他功能没有太高要求，普通变频器即可满足要求。因此，选择实验室现有的变频器型号：FR-D700。
变频器频率给定通道有两种选择方案，一种是采用外部输入模拟量信号给定，即通过变频器的模拟量端子从外部输入模拟量信号（电压或电流）进行给定，
7
并通过调节模拟量的大小来改变变频器的输出频率。需要PLC 连接D/A特殊功能模块，优点：PLC 程序编制简单方便、工作稳定。缺点：在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是D/A模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。另一种是采用端子脉冲给定，即通过变频器的特定的高速开关端子从外部输入脉冲序列信号进行频率给定，并通过调节脉冲的频率来改变变频器的输出频率。由PLC 输出点产生可调脉冲，要求PLC 的输出类型为晶体管型，且输出脉冲频率达50KHZ 。
根据以上分析及实验室现有条件，采用外部输入模拟量（电流）信号作为变频器的频率给定通道。
变频器与PLC 的接线如图2-7所示，变频器的STF 接控制电机的线圈Y6、SD 接公共端COM2，变频器的U 、V 、W 分别接电机的三根相线，因为变频器的模拟量输入我们用的是电流输入，而且是通道一，所以变频器的4端与D/A模块的IOUT1相接，5接公共端COM1。并且在D/A模块和变频器接线的时候用的线是屏蔽线，这样能够很好的避免电压信号的干扰。
图2-7 变频器与PLC 的接线
2.2.3温度变送器的选择
热电偶温度变送器的工作原理是，两种不同成分的导体两端经焊接、形成
回路，当测量端和参比端存在温差时，就会在回路中产生热电流，接上显示仪表，仪表上就指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。
根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-1所示。
表2-1 温度变送器规格表
8
2.2.4流量变送器的选择
涡轮流量传感器是一种精密流量测量仪表，与相应的流量积算仪表配套可用于测量液体的流量和总量。
其工作原理：流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电信号，此信号经过处理后，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。
根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-2所示。
表2-2 流量传感器规格表
2.2.5 压力变送器的选择
压力变送器主要由测压原件传感器（也称作压力传感器）、测量电路和过程连接件三部分组成。它能将测压元件传感器感受到的气体、液体等物理压力参数转变成标准的电信号（如4~20MADC等）， 以供给指示报警仪、记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。
工作原理:当压力信号作用于传感器时，压力传感器将压力信号转换成电信号，经差分放大和输出放大器放大，最后经电流转换成与被测介质（液体）的液位压力成线性对应关系的4-20MA 标准电流输出信号。
9
根据实际情况的设备，本文所选的温度变送器的规格如表2-3所示。
表2-3 压力变送器规格表
2.2.6液位变送器的选择
S18UIA 工作原理：可分为四个区域，最小和最大工作范围，近限和远限设定点。
（1）检测物体在最小和最大工作范围内，电源指示灯变为绿色，代表物体在可工作区域内；
（2）检测物体在近限和远限设定点内，信号指示灯变为黄色，代表物体在 设定点范围内，有信号输出；
（3）检测物体在最小和最大工作范围外，电源指示灯变为红色，信号指示灯变为白色，代表物体在工作范围外，无信号输出。
根据实际情况的设备，本文所选的液位传感器的规格如表2-4所示。
表2-4
液位变送器规格表
2.2.7 触摸屏的选择
触摸屏的主要作用是从触摸点检测装置上接收触摸信息，并将它转换成触点
10
坐标，再送给CPU ，它同时能接收CPU 发来的命令并加以执行。在此控制系统中，触摸屏提供系统的启动与停止信号并设定P 、I 、D 值和所需的数值，显示实际中的设定值和传感器的输入值，因此，普通的触摸屏便可满足要求，选择了实验室内现有三菱GT15触摸屏，该触摸屏具有表现力丰富的字体、语言切换画面制作简单、支持USB 接口/FA透明传输等特点，并能同时让电脑监测程序运行状况，提高了工作效率，缩短了启动与调试时间，完全满足此系统的控制要求。 2.2.8 A/D模块的选择
A/D模块的外部联接则需根据外界输入的电压或电流量不同而有所不同，选择分辨率为12位的A/D模块。 由需要四路输入方可满足要求，因此，选择了FX2N-2AD 作为模拟量的输入模块。FX2N -2AD有2个输入通道，分别为通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以进行A/D转换，输入的模拟值范围，电压为 DC-10V ～ +10V，DC0V ～ +5V， DC-4MA ～+20MA，分辨率为2.5MV,1. 25MV ，4uA 。
D/A转换模块提供了12位高精度分辨率（包括符号）；2通道电压输入（DC0～+10V，DC0～+5V）或电流输出（DC4～+20MA）；对每一通道，可以规定电压或电流输入。FX2N —2AD 模拟量输入模块的性能见表2-5。
表2-5 FX2N—2DA 模拟量输入模块的性能
A/D转换的关系有电压和电流输入两种形式，本系统设计采用电电流输入模式。其转换关系如图2-8所示
;
图2-8 A/D转换的关系
FX2N —2AD 的缓冲寄存器（BFM ）分配见表2-6
表2-6 FX2N—2AD BFM分配表
BFM#0：由BFM#17(低8位数据) 指定的通道的输入数据当前值被存储。当前值数据以二进制形式存储。BFM#1：输入数据当前值（高端4位数据）被存储。当前值数据以二进制形式存储。BFM#17：b0进行模拟到数字转换的通道(CH1,CH2)被指定。当b0由10时，通道CH2A/D转换开始。当b1由10时，通道CH1D/A转换开始。 2.2.9 D/A模块的选择
D/A模块的作用是将数字量转换成模拟量的装置，此模拟量作为变频器的频率给定，为了提高设定与运行速度曲线的平滑度和精度，选择分辨率为12位的D/A模块。由于只需要一路输出便可满足要求，因此，选择了FX2N-2DA 作为模拟量的输出模块。FX2N -2DA 有2个输出通道，分别为通道1（CH1）、通道2（CH2）。每一通道都可以进行D/A转换，输出的模拟值范围，电压为 DC0V ～
+10V，DC0V ～ +5V， DC4MA ～+20MA，分辨率为2.5MV ,1. 25MV，4uA 。
D/A转换模块提供了12位高精度分辨率（包括符号）；2通道电压输出（DC0 V ～+10V，DC0V ～+5V）或电流输出（DC4 MA～+20MA）；对每一通道，可以规定电压或电流输出。FX2N —2DA 模拟量输出模块的性能见表2-7。
表2-7 FX2N—2DA 模拟量输出模块的性能
D/A转换的关系有电压和电流输出两种形式，系统设计采用电流输出模式。其转换关系如图2-9所示，
图2-9 D/A转换的关系
FX2N —2DA 的缓冲寄存器（BFM ）分配见表2-8。BFM#16用于写入由BFM#17通道指定标注位指定的通道输出的D/A转换数据值，数据值按二进制形式保存，这样可以有利于保存低八位和高四位数据分两部分保存。在BFM#17中，当b0由10时，通道CH2D/A转换开始。当b1由10时，通道CH1D/A转换开始。当b2由10时，D/A转换的低八位数据保持。
表2-8 FX2N—2DA BFM分配表
2.3 系统其它设备及元器件规格
该系统除了PLC 、D/A模块、A/D模块、变频器、触摸屏、传感器等，还用到了一些其它设备及元器件，其名称、规格型号和数量见表2-9。
2.4 系统电气原理
