单容液位控制系统设计-课程设计.doc

南通大学 期末课程设计 项 目： 单容液位控制系统设计 班 级： 姓 名： 学 号： 摘要本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析，FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机，PLC能编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制。PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型PLC都有PID模块，目前许多小型PLC也具有此功能模块。PID处理一般是运行专用的PID子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。一控制要求与系统功能1.判断计算机通信以及设备工作是否正常；如正常，实时地显示水箱的水位和调节阀的阀位信息；2.可分别进行自动和手动控制，在手动控制方式下，设定值需跟随测量值变化，调节阀阀门开度可以直接在用户窗口的运行界面中人为设定；3.在自动控制方式下，提供相关控制算法以备选择，包括：双位控制；标准PID控制；带死区的PID控制；积分分离PID控制；不完全微分PID控制；4.自动方式下，液位设定值、采样周期和P、I、D参数都可以修改，并依据修改的数据实现相应的算法，调节阀开度为控制算法的结果；5.为保证自动控制和手动控制的无扰切换，在切换瞬间调节阀开度不能发生突变；6.当水箱液位高于30cm时，进行安全报警指示；当液位越限时，进行越限报警，报警偏差值可在窗口中修改；7.具有显示液位设定值、液位测量值和阀位变化的实时曲线功能； 8.显示液位设定值、液位测量值和阀位变化的历史曲线，具有打印曲线所在窗口功能；9. 具有液位设定值、液位测量值和阀位变化的历史数据查询功能，并将其存储到指定的位置；10. 报警事件记录功能。二课程设计内容与要求分析2.1课程设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，实现对高液位池液位高度的自动控制。具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器，实现对单容水箱液位高度的定值控制，同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面，实现实时监控的目的。2.2课程设计要求分析 （1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。 （2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量15%，稳态误差0.1；调节时间ts60s； （3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。 （4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数； （5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试； （6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；2.3PID控制的原理和特点工程实际中，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。2.4单容上水箱自衡过程的建摸所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。液位过程，图2.1所示为一个单容液位被控过程，其流入量Q1，改变阀1的开度可以改变Q1的大小。其流出量为Q2，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变Q2。液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若Q1作为被控过程的输入变量,h为其输出变量,则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。 图2.1液位被控过程及其阶跃响应三课程设计的方案 3.1MCGS组态软件概述MCGS(MonitorandControlGeneratedSystem，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。工程创建的一般过程为： （1）工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部用来传递数据及动画显示的。 （2）工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。 （3）设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，不断完善工程的菜单。 （4）制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。 （5）编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。 （6）完善菜单按钮功能：包括对菜单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。 （7）编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。 （8）连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。 3.2实时数据库创建实时数据的定义依据工作需要包括：通信；控制变量和参数；控制方式；控制算法；存盘数据；报警。 3.2.1通信部分3.2.2控制算法变量3.2.3存盘数据3.2.4报警数据3.2.5数据库组态结果3.2.6液位控制系统流程-画面 3.2.7液位控制系统历史曲线-画面3.2.8液位控制系统报警记录-画面3.2.9控制算法控制算法包括：双位控制；标准PID控制；带死区的PID控制；积分分离PID控制；不完全微分PID控制。为避免调节阀频繁动作，可采用带有中间区的双位调节，中间区域2cm2cm，即：偏差e2cm时，输出为最大（100），e2 then 本次位置=0if 偏差=alarmsv then alarm=1else alarm=0endif!setdevice(设备1,6,“write(10,采样周期)”) 改变设备采样周期四设备之间安装与连接按照图4-1所示，将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。 图4-1控制系统示意图 图4-2控制系统框图五系统的联机调试在计算机中，编制实时动态显示画面。最后系统联调时，在画面上可显示和修改相关参数，在完成PID参数整定后，控制精度在2%以内。（1）手动调试动态显示画面图5-1手动调试动态显示画面（2）自动调试动态显示画面图5-2自动调试动态显示画面（3）历史报警信息 图5-3历史报警信息画面（4）实时数据报表 图5-4 实时数据报表窗口（5）PID调节曲线图5-5 PID调节曲线6 设计总结这次课程设计给我带来了很多的收获。首先，是知识方面的收获，通过这次课程设计让我对所学课程又有了更多的了解，对这门学科在现实生活中的应用也有了更多的了解，我体会到了知识在现代社会中的重要作用。基于MCGS的单容水箱液位监控系统设计，具有良好的人机界而、完善的远程监视和控制功能，使操作更方便，经实践、教学验证能满足控制系