单容水箱液位控制系统与仪表设计任务书.doc

专业方向课程设计课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程系 题目： 单容水箱液位控制系统与仪表设计 初始条件：1. 给定用于设计单容水箱控制系统的各种仪表。2. 给出仪表的详细资料。3. 给出单容水箱液位定值控制系统的设计思路与整定方法。要求完成的主要任务：一设计任务1 给出单容水箱液位控制的原理图，并阐述原理。2 对涉及的液位检测与控制仪表进行选型，并用图文方式阐述其工作原理。3 对控制器的正反作用进行选择，并详细阐述其选择依据。4 对控制器的控制规律机械选择，并说明其原理与选择依据。5 设计其计算机监控界面，要求设计内容包括：项目建立过程、静态界面设计、数据词典建立、设备连接、动画连接。6 对设计内容进行总结，完成设计报告，答辩。二说明书撰写要求1. 纸张格式：要求统一用A4纸打印，页面设置上空2.5cm，下空2.0cm，左空2.5cm，右空2.0cm）：2. 正文层次：正文内容层次序号为：1、1.1、1.1.1，其中正文标题；一级标题1.（黑体小2号加粗），二级标题1.1（黑体小三号），三极标题1.1.1（黑体小四号）。正文内容格式：宋体五号，1.25倍行距。3. 正文内容一般包括：选题背景：说明本课题应解决的主要问题及应达到的技术要求；简述本设计的指导思想。（设计目的中已有阐述）方案论证：说明设计原理并进行方案选择，阐明为什么要选择这个设计方案以及所采用方案的特点。设计内容：对设计工作的详细表述。要求层次分明、表达确切。结果分析：对研究过程总所获得的主要的数据、现象进行定性或定量分析，得出结论和推论。结论或总结：对整个研究工作进行归纳和综合。参考文献：不少于5个，并应按文献号、作者、文献题名、出版地：出版社和出版年等顺序书写。如：1 陈夕松,汪木兰. 过程控制系统(第二版). 北京:科学出版社,2001.1.4. 图纸（或其它）要求图纸要求：图面整洁，布局合理，线条粗细均匀，圆弧连接光滑，尺寸标注规范，要求使用计算机绘图。曲线图表要求：所有曲线、图表、线路图、流程图、程序框图、示意图等不准徒手画，必须按国家规定标准或工程要求绘制（采用计算机辅助绘图）。课程设计说明书（报告）中图表、公式一律采用采用阿拉伯数字连续编号。图序及图名置于图的下方；表序及表名置于表的上方；说明书（报告）中的公式编号，用括号括起来写在右边行末，其间不加虚线。三. 时间安排：第一周1 给出单容水箱液位控制的原理图，并阐述原理。对涉及的液位检测与控制仪表进行选型，并用图文方式阐述其工作原理。第二周2 对控制器的正反作用进行选择，并详细阐述其选择依据。3 对控制器的控制规律机械选择，并说明其原理与选择依据。第三周4 设计其计算机监控界面，要求设计内容包括：项目建立过程、静态界面设计、数据词典建立、设备连接、动画连接。5 对设计内容进行总结，完成设计报告，答辩。 2016年 12月 2日1 设计任务与目的1.1选题背景 微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。可编程控制器(Programmable Logic Controller-PLC)是一种应用广泛非常的自动控制装置，它将传统的继电器控制技术、计算机技术和通讯技术融为一体，具有控制能力强、操作灵活方便、可靠性高、适宜长期连续工作的特点，非常适合液位控制的要求。这次课程设计基于智能仪表、可编程控制器（PLC）、组态软件的液位控制系统的设计方案。系统采用PID算法，实现液位的自动控制。1.2设计目的通过组态软件，结合实验室已有的设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用单闭环控制结构和PID调节规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。1.3设计任务1. 给出单容水箱液位控制的原理图，并阐述原理。2. 对涉及的液位检测与控制仪表进行选型，并用图文方式阐述其工作原理。3. 对控制器的正反作用进行选择，并详细阐述其选择依据。4. 对控制器的控制规律机械选择，并说明其原理与选择依据。5. 设计其计算机监控界面，要求设计内容包括：项目建立过程、静态界面设计、数据词典建立、设备连接、动画连接。2 系统结构设计及原理2.1控制仪表的选型 智能仪表的工作过程如下：输入信号要经过开关量输入电路或模拟量输入电路进行变换、放大、整形、补偿等处理。对于模拟量信号，需经A/D转换器转换成数字信号，再通过接口送入微控制器。由CPU对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，通过接口送至显示器或打印机，也可输出开关量信号或经模拟量输出电路的D/A转换器转换成模拟量输出信号。还可通过串行接口实现数据通信，完成更复杂的测量和控制任务。所以这次课程设计我们选择了智能仪表。智能仪表由硬件和软件两大部分组成。硬件部分包括微控制器及其接口电路、模拟量输入输出电路、开关量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道，以及其他外围设备。智能仪表的软件，包括监控程序、中断服务程序以及实现各种算法的功能模块。仪表的模块接线图如：负载水泵模块电压输入液位信号图1 仪表的模块接线图 本次设计是采用智能调节仪的PID控制原理进行液位PID闭环控制，采用痛过液位变送器采集实验水箱液位值，送入智能调节仪与设定值进行比较，控制智能仪表的模拟量输出，来控制水泵电压，达到控制液位的目的。图2 控制系统框图 如图2所示，根据因为控制阀、被控对象和测量元件变送器均为正作用，所以控制器必须为反作用。这样才能达到单闭环负反馈系统的控制效果。2.2可编程控制器PLC即可编程逻辑控制器，英文全称是Programmable Logic Controller，是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC以其可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、功能强大、性价比高、体积小、能耗低等显著特点广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。2.3控制器的选择及原理PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID控制器出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有控制场合。PID控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。 实验时，可痛过设置P、I、D三个参数来选择不同的控制过程，（如：P调节、PI调节、PID调节）寻找最佳的控制方案及参数。PID控制原理基于下面的公式，输出式比例项、积分项和微分项的函数M(t)=kc*e+kciedt+mintal+kc*del/dt 输出=比例项+积分项+微分项M(t) PID回路的输出是时间函数K(c) PID回路的增益e PID回路的偏差Mintial PID回路输出的初始值2.3.1比例（P）控制及调节过程 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。在人工调节的实践中，如果能使阀门的开度与被调参数偏差成比例的话，就有可能使输出量等于输入量，从而使被调参数趋于稳定，达到平衡状态。这种阀门开度与被调参数的偏差成比例的调节规律，称为比例调节。 比例调节规律及其特点：比例调节作用，一般用字母P来表示。放大倍数 是可调的，所以比例调节器实际上是一个放大倍数可调的放大器。比例调节作用虽然及时、作用强，但是有余差存在，被调参数不能完全回复到给定值，调节精度不高，所以有时称比例调节为“粗调”。纯比例调节只能用于干扰较小、滞后较小，而时间常数又不太小的对象。2.3.2积分（I）控制及调节过程 在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 对于工艺条件要求较高余差不允许存在的情况下，比例作用调节器不能满足要求了，克服余差的办法是引入积分调节。因为单纯的积分作用使过程缓慢，并带来一定程度的振荡，所以积分调节很少单独使用，一般都和比例作用组合在一起，构成比例积分调节器，简称PI调节器，而且比例度不仅影响比例部分，也影响积分部分，使总的输出既具有调节及时、克服偏差有力的特点，又具有克服余差的性能。 积分调节规律及其特点：由于它是在比例调节（粗调）的基础上，有加上一个积分调（细调），所以又称再调调节或重定调节。但是，积分时间太小，积分作用就太强，过程振荡剧烈，稳定程度低；积分时间太大，积分作用不明显，余差消除就很慢。如果把积分时间放到最大，PI调节器就丧失了积分作用，成了一个纯比例调节器。2.3.3微分（D）控制及调节过程 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态性能。 所以综合这三种控制的控制规律，我选择了PID控制。2.4组态控制目前的很多自动控制系统中,常常选用PLC作为的控制设备,用于数据采集、状态判别和输出控制;而在可编程序控制器与计算机通讯的基础上,通过组态软件可以对可编程序控制器的当前工作状态进行全方位的监控,进一步通过组态软件可以对实验控制对象的工作过程进行全程模拟,实现远程控制。这种控制系统充分利用了计算机和PLC的特点,实现了优势互补,得到了广泛应用。 组态软件的基本功能：过程可视化、可维护性强、操作简便、功能完善。2.5 系统总原理图水泵图3 系统总原理图3 系统组态设计 使用组态王，用户可以方便的构造适应自己所需要的“数据采集和监控系统”。在任何需要的时候，把生产现场的信息处理和判断决策的控制信号传向现场实施有效的生产控制。组态王的网络功能使企业的基层和其他部门建立起联系，现场操作人员和工厂管理人员都可以看到各种数据，管理人员可以不深入现场就可以得到各种实时或历史数据。优化控制现场，提高生产效率和产品质量。组态王易于学习和使用，拥有丰富的工具箱、图库和操作向导，既可以节约大量的时间又可以提高系统性能。3.1 新建一个工程点击桌面上的组态王软件，进入后，在点击画面中的工程，点击右键，选择新建一个工程后，出现如下图所示的对话框。点击下一步。图4点击下一步后，出现下图所示的对话框，点击浏览，选择工程所在路径。完成后，点击下一步。图5 点击下一步后，出现如下图所示的对话框，给工程输入一个工程名，工程名最好与自己所要完成的内容相关，便于以后辨别和使用。图6 上一步完成后，点击完成这个按钮，会出现下面这个对话框，表示已经新建了一个工程。然后在双击这个工程，进行组态画面的完成。图7 完成后的组态画面如下图所示，完成组态画面后要对每个变量进行定义，要在数据词典中完成。图83.2 数据词典的新建 点击工程，然后选择如下所示的dangrongshuixiang这个工程，在点击树形图中的数据词典。进行新建。定义相关变量。根据PLC的梯形图定义相关触点。图9 在数据词典中定义相关变量之前先要新建一个设备。步骤如下所示，先双击左边树形图中的设备，然后右边对话框中双击新建这个图标。然后出现如下所示的对话框。点开PLC这个选项，选择这个选项里的西门子系列。图10选择西门子后，选择s7-200系列中的PPI通信，完成后点击下一步。图11点击下一步后出现如下所示的对话框，给你新建的设备取一个名字，取完后点击下一步。图12 点击下一步后，出现如下框图，选择com口，右键点击桌面上的我的电脑，选择设备管理，找到所连接的是那个com口，而我连接的是com1口，所以选择com1口。完成后，点击一下步。图13 点击下一步后，出现如下对话框，选择设备地址，这个我们不知道，选择地址帮助，系统默认为2，完成后，然后点击下一步。图14点击下一步后出现如下对话框，而通信参数这些我们都不需要去改，我们直接点击下一步就可以了。点击下一步后会出现如图n所示对话框，点击完成新设备就建好了，就可以在数据词典中定义相关变量了。图15图16以上步骤完成后，在数据词典中的相关变量定义如下所示。图17 数据词典变量定义完成后，我们如果要实现组态王画面中的动态效果，需要在应用程序中写下如图所示的程序，这是让图中的水柱实现循环闪烁，以达到流动的视觉效果。图183.3 动画连接 在进行动画连接之前，我们必须先找到左边中的设置运行系统，然后选择其中的设置运行系统，如下图所示，不然的话，我们即便点击切换到view，也不会出现动画连接。图19所有步骤完成后，点击软件中view按钮，动画连接如下所示。图203.4结果分析做完课程设计，经过动画连接，PID调节的图形可以得出以下结论：1. 只有P调节时，系统永远存在误差，但系统能比较快的达到稳定。超调量也不是很大。2. 加入积分调节时，系统没有稳态误差存在，可见加入积分可以消除稳态误差，但加入积分后系统的超调量变大，调节时间变长。即系统的稳态性能变差。3. 加入微分后，系统的超调减小，调节时间变短。所以加入微分可以使系统的动态性能变好。但是微分环节不适用于外界干扰大的场所。总 结在这次课程设计中遇到了很多的问题，因为长时间没有去接触这些东西，导致以前所学的东西都生疏了，这次的课程设计让我更熟练的掌握了组态王的用法。在课程设计过程中我也遇到了很多问题，最开始把动画连接图画好后，点切换到view，始终没有画面出现。最后问了老师才知道是我漏了一个步骤。才导致没有动画连接出现。在智能仪表、可编程控制器(PLC)和组态软件的基础上，我设计出的液位控制系统是结合MCGS组态软件系统变得美观易懂，操作更加简单快捷。但是整个液位控制系统运行效果我并没有进行联机实验，我不知道我的设计是否成功，做设计，是对以前学习的知识的挑战与突破。通过这次设计，对于办公软件的应用有了进一步的提高（如word文档）。同时在对搜集的材料进行整核，结合所学理论知识，以及实际应用操作的情况下，提高了实际操作和独立解决问题的能力。通过这次设计，让我更熟练的掌握了三菱的PLC软件的简单编程方法，对于PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。也对MCGS组态软件有了更进一步的理解与学习，同时也看清了自己身上的许多不足之处，平时缺乏主动学习和动手操作的积极性。今后要改掉不好的习惯，把理论知识更好的运用到实际的生活当中去。古人说：三人行必有我师、思而不学则殆。所以说学习要善于向别人请教