基于三菱F X系列P L C的過程控制系統設計

龔君王磊楊帆

（正德職業技術學院，江蘇 南京 211106）

0 概述

在工業生產中有時必須對生產過程的某些參數進行控制，使其保持定值或按規律變化，確保生產正常進行，因此精確的參數控制顯得尤為重要。本設計基于三菱PLC FX3u可編程控制器，以兩個水箱作為控制對象，實現對水箱系統的過程控制。

總體設計方案：通過人機界面對水箱系統的壓力、液位、流量給出設定值，通過PLC控制系統運行，使得水箱系統能夠按照要求進行工作，人機界面可以實時監控各項數據，并隨時對相關參數進行更改。通過溫控調節器調節溫度。

現場水箱的數據采集后經過A/D轉換給PLC進行PID處理，PLC處理的結果再經過D/A轉換給變頻器控制電機的轉速，實現對參數的穩定控制。

1 方案設計

1.1 系統模塊選型

本系統主要包括PLC控制模塊，數模轉換單元模塊、人機界面監控模塊等。

1.1.1 PLC 選型

本系統設計采用三菱FX3U系列PLC為核心控制器。該PLC為三菱推出的新型PLC，有豐富的擴展性和新型的功能，具有結構簡單，使用靈活且易于維護等特點。

1.1.2 A/D、D/A 轉化模塊選型

本系統A/D，D/A轉化模塊選用三菱FX2N-4A/D和FX2N-4D/A。

數模轉換模塊FX2N-4A/D為四輸入通道，模擬量輸入范圍有-10~10V，-20~20mA，4~20mA，CPU只能以二進制處理模擬量值，模擬量輸入模塊可以將過程模擬信號轉換為數字信號。

模數轉換模塊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字量輸出值轉換為一個模擬信號。

1.2 系統結構設計

基于PLC的過程控制裝置由上下兩個水箱組成，包括流量、液位、壓力傳感器，可以根據所需不同的要求可構成不同的回路，如圖2所示該控制系統主要實現流量、壓力、液位、溫度的自動控制。

1.3 系統軟件設計

系統設計中用到的軟件主要有：GX Works用于FX3U程序編輯；GT Designer3用于GOT人機界面編輯。

1.3.1 監控系統功能

完成壓力液位數據，變化量變化趨勢、PID參數調節以及報警記錄的實時顯示。

1.3.2 水箱自動調節系統功能

水箱自動調節系統可以將功能分為數據采集和智能調控兩個方面：系統時刻采集者流量、溫度、壓力、液位參數，并根據需要進行自動調整；而且，當液位過低時，它會自動停止加熱，避免干燒而產生的危險。

1.4 PID 控制器調節

（1）PID控制原理是根據設定值與實際值之間的偏差，將偏差按比例積分微分通過不同的組合構成控制器，對被控對象進行調整控制。

PID控制器是一種線性負反饋控制器，根據給定值r（t）與實際值y（t）構成控制差：e（t）=r（t）-y（t）

PID控制規律為：

（2）PID 具體指令

1）PID指令必須通過A/D將模擬量測定值轉換成數字量PLC，因此，對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的指令設定值SV及PID控制參數群參數必須在指令執行之前送入相關的存儲器。所以PID指令的初始化程序必須在執行PID指令前完成。

3）用PID指令對設定值SV和測定值PV的差值進行PID運算，并將運算結果送入到MV寄存器。

4）如果是模擬量輸出，則還要經過D/A模塊將數字量轉換成模擬量送到執行器，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 調節過程

1）設定 I、D 基礎值為 0，改變 P 值，分別為 1、2、3、4、5、6、9、15；

2）設定流量目標值為100 cm/s，觀察流量當前值隨時間的變化；

3）當P值很小時，流量達到設定值的時間較長，當P值很大時，就會出現震蕩，流量會在設定值左右變化，誤差會較大，此時P值為2；

4）此時 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I值過大時，積分作用不明顯，I值過小時，系統會出現震蕩，使系統穩定性能降低，此時確定I值為5；

6）設定P值為2，I值為5，改變D值，觀察當前值變化；

7）D值越小，微分作用就越弱，D值過大，系統會出現震蕩，甚至發散，確定D值為1。

1.5 控制系統流程

1）控制系統流程開始后會進行初始化，包括硬件的復位和軟件內部寄存器的清零。

2）打開觸摸屏進行所需參數的設定，不然電機無法運行；電機運行后實時數據將顯示在觸摸屏上，在一定時間內如果未達到理想的要求值時可以重新設定參數來進行調整，直到它達到自己的要求。

3）達到要求值之后可以調整其他參數或者停止設備。

1.6 程序設計與人機界面

采用三菱FX3U系列PLC,進行程序編輯，完成相關控制要求：液位、流量、溫度等相關采集量的處理以及反饋。通過人機界面可以對PLC的控制效果實時監控。

2 結束語

基于PLC的過程控制系統的設計，人機界面軟件（GT Designer 3）的強大數據處理、圖形表現能力和交互能力。PLC實用性廣、抗干擾能力強、適用于工業現場的特點，融合了先進的自動化技術、計算機技術，具有可靠性高、維護容易等特點。系統實現了對流量、壓力、液位等對象的測量、自動控制和實時監控，具有人機交互功能，監控軟件界面美觀，操作起來簡單明了，程序使用方便靈活，可移植性較高，實現了操控要求。

［1］胡壽松.自動控制原理[M].科學出版社，2009.

［2］常斗南，翟津.三菱PLC控制系統綜合應用技術[M].機械工業出版社，2012.

［3］郁有文，常建，程繼紅.傳感器技術及工程應用[M].西安電子科技大學出版社，2008.

［4］吳賀榮.過程控制系統及儀表實驗指導書[Z].青島大學自動化工程學院.