基于三菱F X系列P L C的過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔君王磊楊帆

（正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 概述

在工業(yè)生產(chǎn)中有時(shí)必須對(duì)生產(chǎn)過程的某些參數(shù)進(jìn)行控制，使其保持定值或按規(guī)律變化，確保生產(chǎn)正常進(jìn)行，因此精確的參數(shù)控制顯得尤為重要。本設(shè)計(jì)基于三菱PLC FX3u可編程控制器，以兩個(gè)水箱作為控制對(duì)象，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱系統(tǒng)的過程控制。

總體設(shè)計(jì)方案：通過人機(jī)界面對(duì)水箱系統(tǒng)的壓力、液位、流量給出設(shè)定值，通過PLC控制系統(tǒng)運(yùn)行，使得水箱系統(tǒng)能夠按照要求進(jìn)行工作，人機(jī)界面可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并隨時(shí)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更改。通過溫控調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)溫度。

現(xiàn)場(chǎng)水箱的數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換給PLC進(jìn)行PID處理，PLC處理的結(jié)果再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換給變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的穩(wěn)定控制。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)模塊選型

本系統(tǒng)主要包括PLC控制模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換單元模塊、人機(jī)界面監(jiān)控模塊等。

1.1.1 PLC 選型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三菱FX3U系列PLC為核心控制器。該P(yáng)LC為三菱推出的新型PLC，有豐富的擴(kuò)展性和新型的功能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活且易于維護(hù)等特點(diǎn)。

1.1.2 A/D、D/A 轉(zhuǎn)化模塊選型

本系統(tǒng)A/D，D/A轉(zhuǎn)化模塊選用三菱FX2N-4A/D和FX2N-4D/A。

數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4A/D為四輸入通道，模擬量輸入范圍有-10~10V，-20~20mA，4~20mA，CPU只能以二進(jìn)制處理模擬量值，模擬量輸入模塊可以將過程模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊FX2N-4D/A為四輸出通道，模擬量輸出范圍有-10~10V，-20~20mA和4~20mA。模擬量輸出模板可以將數(shù)字量輸出值轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬信號(hào)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于PLC的過程控制裝置由上下兩個(gè)水箱組成，包括流量、液位、壓力傳感器，可以根據(jù)所需不同的要求可構(gòu)成不同的回路，如圖2所示該控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)流量、壓力、液位、溫度的自動(dòng)控制。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的軟件主要有：GX Works用于FX3U程序編輯；GT Designer3用于GOT人機(jī)界面編輯。

1.3.1 監(jiān)控系統(tǒng)功能

完成壓力液位數(shù)據(jù)，變化量變化趨勢(shì)、PID參數(shù)調(diào)節(jié)以及報(bào)警記錄的實(shí)時(shí)顯示。

1.3.2 水箱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)功能

水箱自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以將功能分為數(shù)據(jù)采集和智能調(diào)控兩個(gè)方面：系統(tǒng)時(shí)刻采集者流量、溫度、壓力、液位參數(shù)，并根據(jù)需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整；而且，當(dāng)液位過低時(shí)，它會(huì)自動(dòng)停止加熱，避免干燒而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

1.4 PID 控制器調(diào)節(jié)

（1）PID控制原理是根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差，將偏差按比例積分微分通過不同的組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)整控制。

PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r（t）與實(shí)際值y（t）構(gòu)成控制差：e（t）=r（t）-y（t）

PID控制規(guī)律為：

（2）PID 具體指令

1）PID指令必須通過A/D將模擬量測(cè)定值轉(zhuǎn)換成數(shù)字量PLC，因此，對(duì)A/D模塊的初始化及其采樣程序是不可缺少的一部分。

2）PID的指令設(shè)定值SV及PID控制參數(shù)群參數(shù)必須在指令執(zhí)行之前送入相關(guān)的存儲(chǔ)器。所以PID指令的初始化程序必須在執(zhí)行PID指令前完成。

3）用PID指令對(duì)設(shè)定值SV和測(cè)定值PV的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送入到MV寄存器。

4）如果是模擬量輸出，則還要經(jīng)過D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量送到執(zhí)行器，因此D/A模塊的初始化和其讀取程序也是必不可少的一部分。

（3）PID 調(diào)節(jié)過程

1）設(shè)定 I、D 基礎(chǔ)值為 0，改變 P 值，分別為 1、2、3、4、5、6、9、15；

2）設(shè)定流量目標(biāo)值為100 cm/s，觀察流量當(dāng)前值隨時(shí)間的變化；

3）當(dāng)P值很小時(shí)，流量達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)P值很大時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)震蕩，流量會(huì)在設(shè)定值左右變化，誤差會(huì)較大，此時(shí)P值為2；

4）此時(shí) P 值為 2，D 為 0，改變 I值，分別為 0、1、2、3、4、5、6、15，觀察曲線的變化；

5）當(dāng)I值過大時(shí)，積分作用不明顯，I值過小時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性能降低，此時(shí)確定I值為5；

6）設(shè)定P值為2，I值為5，改變D值，觀察當(dāng)前值變化；

7）D值越小，微分作用就越弱，D值過大，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩，甚至發(fā)散，確定D值為1。

1.5 控制系統(tǒng)流程

1）控制系統(tǒng)流程開始后會(huì)進(jìn)行初始化，包括硬件的復(fù)位和軟件內(nèi)部寄存器的清零。

2）打開觸摸屏進(jìn)行所需參數(shù)的設(shè)定，不然電機(jī)無法運(yùn)行；電機(jī)運(yùn)行后實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將顯示在觸摸屏上，在一定時(shí)間內(nèi)如果未達(dá)到理想的要求值時(shí)可以重新設(shè)定參數(shù)來進(jìn)行調(diào)整，直到它達(dá)到自己的要求。

3）達(dá)到要求值之后可以調(diào)整其他參數(shù)或者停止設(shè)備。

1.6 程序設(shè)計(jì)與人機(jī)界面

采用三菱FX3U系列PLC,進(jìn)行程序編輯，完成相關(guān)控制要求：液位、流量、溫度等相關(guān)采集量的處理以及反饋。通過人機(jī)界面可以對(duì)PLC的控制效果實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 結(jié)束語(yǔ)

基于PLC的過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，人機(jī)界面軟件（GT Designer 3）的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理、圖形表現(xiàn)能力和交互能力。PLC實(shí)用性廣、抗干擾能力強(qiáng)、適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)，融合了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，具有可靠性高、維護(hù)容易等特點(diǎn)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量、壓力、液位等對(duì)象的測(cè)量、自動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有人機(jī)交互功能，監(jiān)控軟件界面美觀，操作起來簡(jiǎn)單明了，程序使用方便靈活，可移植性較高，實(shí)現(xiàn)了操控要求。

［1］胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].科學(xué)出版社，2009.

［2］常斗南，翟津.三菱PLC控制系統(tǒng)綜合應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］郁有文，常建，程繼紅.傳感器技術(shù)及工程應(yīng)用[M].西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［4］吳賀榮.過程控制系統(tǒng)及儀表實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[Z].青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院.