过程控制系统设计.:过程控制系统设计的一般要求有哪些

过 程

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

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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。

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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。

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图2-1 系统主要硬件

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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，

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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】 连接外围设备用的连接口 【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外围设备上发出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，

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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

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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。

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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

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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

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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1→0时，通道CH2A/D转换开始。当b1由1→0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1→0时，通道CH2D/A转换开始。当b1由1→0时，通道CH1D/A转换开始。当b2由1→0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

根据系统原理的需要，绘制了电气原理图如图2-6。其中空气开关用到四个。QF1用于给整个系统供电，并在系统内部出现短路现象时给系统断电的功能，实现了保护系统元器件的作用。QF2用于给变频器供电并且保护变频器, 变频器的U 、V 、W 端子和电机相接用于给电机不同频率的电压。QF3用于给PLC 和触摸屏供电并在特殊情况下保护PLC 和触摸屏。QF4用于给24V 电源模块供电。变频器的STF 、SD 端子和PLC 的Y0、COM1端子依次相接，COM1、SD 是公共端子。A/D模块的输入端口和温度、压力、液位、流量传感器相接，实现了实际环境中温度、压力、液位、流量的采集，通过模拟转换成数字。PLC 端口控制加热棒的加热时间，D/A模块输出端口和变频器模拟量给定端口相接，实现了通过PLC 改变电机转速的功能。电气原理图如图2-10所示。

图2-10 系统电气原理图