基于PLC的液位控制系统的设计【无CAD图】
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基于PLC的液位控制系统
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摘要 . 1 第一章 绪 论 . 1 产生、定义及现状 . 2 过程工业控制算法的应用现状 . 3 第二章 设计的技术基础和控制对象 . 6 过程控制实验对象系统 . 错误 !未定义书签。 西门子 . 6 控制方案设计 . 7 水箱液位的自动调节 . 23 上水箱下水箱液位串级控制系统 . 24 第三章 控制策略的介绍 . 错误 !未定义书签。 制算法 . 25 制参数含义 . 16 串级控制系统及应用范围 . 22 串级控制系统 . 22 级控制特点及应用范围 . 23 摘要 第一章 绪论 产生、定义及现状 可编程控制器出现前，继电器控制在工业控制领域占据主导地位。但是继电器控制系统具有明显的缺点：设备体积大、可靠性低、故障查找困难以及维修不方便。由于接线复杂，当生产工艺和流程改变时必须改变接线，因此，其通用性和灵活性较差。 20 世纪 60 年代，计算机技术开始应用于工业控制领域，但由于价格高、输入输出电路不匹配、编程难度大以及难以适应恶劣工 业环境等原因，未能在工业控制领域获得推广。 20世纪 60年代末，美国汽车制造工业竞争激烈，为适应生产工艺不断更新的需要， 1968 年美国通用汽车公司（ 出了研制新型逻辑顺序控制装置的十项招标指标。主要内容是： 1) 编程方便，可现场修改程序。 2) 维修方便，采用插件式结构。 3) 可靠性高于继电器控制装置。 4) 体积小于继电器控制盘。 5) 数据可直接送入管理计算机。 6) 成本可与继电器控制盘竞争。 7) 输入可为市电 8) 输出可为市电，容量要求在 2直接驱动接触器等。 9) 扩展时原系统改变最小。 10) 用户存储器大于 4 这些实际上 提出了将继电器控制的简单移动、使用方便、价格低的优点与计算机的功能完善、灵活性、通用性好的优点结合起来，将继电接触器控制的硬连线逻辑转变为计算机的软件逻辑编程的设想。美国数字设备公司（ 标，并于 1969年研制出第一台可编程控制器 美国通用汽车公司的生产线上试用成功，并取得了满意的效果，可编程控制器自此诞生。 随着电子技术的发展 ， 可编程控制器 (原来简单的逻辑量控制 ， 逐步具备了计算机控制系统的功能 ， 同时 ， 还具有抗 干扰性强 、 可靠性强 、 体积小 、 编程方便 、 修改容易 、 网络功能强大等显著优点 ， 它可以与计算机一起组成功能完备的控制系统 。 般由上、下位微机组成主从式控制系统。 成数据采集、状态判别、输入输出控制等，上位机（微型计算机、工业控制机），完成采集数据信息的存储、分析处理、复杂运算、状态显示以及打印输出，以实现对系统的实时监控。微型计算机与 够充分发挥各自的优点和功能，实现优势互补。 可编 程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计的。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原理设计。 编程十分方便 。 采用 克服了以往仪表控制的单回路调节器的缺点 ， 可以由用户自己定义控温曲线 ， 同时利用 与输入 、 输出信号通过简单的编程实现连锁 ， 可以对各种故障情况及时做出反应 ， 使控制系统更加安全可靠 。 程工业控制算法的应用现状 毕业设计设计的是基于 在其中我主要负责的是控制算法的设计。 过程控制在工业生产中应用广泛，在理论的研究与生产的实践中发展出很多的控制算法，主要有下列几种： (1) 大量的事实证明，传统的 高达 90%)可取得较好的控制结果。采用改进的 (2) 预测控制 预测控制是直接从工业过程控制中产生的一类基于模型的新型控制算法 合控制质量比较高，因而很快引起工业控制界以及学术界的广泛兴趣与重视。预测控制有三要素，即预测模型、滚动优化和反馈校正。它的机理表明它是一种开放式的控制策略 ,体现了人们在处理带有不确定性问题时的一种通用的思想方法。 (3) 自适应控制 在过程工业中，不少的过程是时变的，如采用参数与结构固定不变的控制器，则控制系统的性能会不断恶化，这时就需要采用自适应控制系统来适应时变的过程。它是辨识与控制的结合。 目前，比较成熟的自适应控制分三类 :A、自整定调节器及其它简单自适应控制器 ;B、模型参考自适应控制 ;C、自校正调节与控制。自适应控制己在工程实际中得到了不少的应用，但它至今仍然有许多待进一步解决的问题 (特别在参数估计方面 )，这些问题不解决，自适应控制的广泛应用仍将遇到许多困难。 （ 4） 智能控制 随着科学技术的发展，对工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。另外，被控工业过程日趋复杂，过程严重的非线性和不确定性，使许多系统无法用数学模型精确描述。没有 精确的数学模型作前提，传统控制系统的性能将大打折扣。对于复杂的工业过程往往可以取得很好的控制效果。常见的智能控制方法有以下几种 :模糊控制、分级递阶智能控制、专家控制、人工神经元网络控制、拟人智能控制等。这些智能控制方法各有千秋，但又存在各自的不足。研究表明将它们相互交叉结合或与传统的控制方法结合将会产生更佳的效果。智能控制在家电行业及工业过程中取得了许多成功的应用。在国内外，模糊控制与人工神经元网络也在石化、钢铁、冶金、食品等行业取得了成功的应用。 制的历史和发展现状 阶段。 20世纪 30年代晚期微分控制的加入标志着 也是 一个阶段为发明阶段 (1900 1940)制的思想逐渐明确 ,气动反馈放大器被发明仪表工业的重心放在实际 制器的结构设计上。 1940 年以后是第二阶段 革新阶段。在革新阶段 , 靠的、易于应用的控制器。仪表工业的重心是使 制技术能跟上工业技术的最新发展。从气动控制到电气控制到电子控制再到数字控制 , 能不断提 高。一些处于世界领先地位的自动化仪表公司对 制器的早期发展做出重要贡献 ,甚至可以说 制器完全是在实际工业应用中被发明并逐步完善起来的。值得指出的是 ,1939 年 器公司推出的一款带有所谓“ 能的名为“ 气动控制器以及同时期 器公司推出的带有所谓“ 能的“ 动控制器都是最早出现的具有完整结构的 “ 能实际都是在控制器中加入了微分控制。 制至今仍是应用最广泛的一种实用控制器。各种现代控制技术的出现并没有削弱 制器的应用 ,相反 ,新技术的出现对于 方面 ,各种新的控制思想不断被应用于 制器的设计之中或者是用新的控制思想设计出具有 构的新控制器 制技术被注入了新的活力。另一方面 ,某新控制技术的发展要求更精确的 从而刺激了 总结近年来 制的发展趋势 ,可以将 制的发展分为两个大方向 :传统 新型控制技术与 统 变增益控制和自适应控制。传统 制的发展可以改善 制的效果 ,使 制器的自动化程度和对环境的适应能力不断提高。各种新型控制技术与 制器的设计与整定之中或者是使用新的控制思想设计出具有 如模糊控制、神经网络等新型控制技术与 对于解决非线性和不确定系统控制等采用传统 制器难以有效控制的情况收到了很好的效果。 在生产过 程自动化控制的发展历程中， 命力最强的基本控制方式。在本世纪 40年代以前，除在最简单的情况下可采用开关控制外，它是唯一的控制方式。此后，随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生和发展，涌现出许多新的控制方式。然而直到现在， 1) 原理简单，使用方便。 2) 适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。按 具体实现上它们经历了机械式、液动式 、气动式、电子式等发展阶段，但始终没有脱离 统中所用的 7列的 中配有 便进行 3) 鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感。 在连续生产过程计算机控制系统中，一般采用两种 种是含有理想微分的 制，另一种是含有实际微分的 文内容的研究工作 本文的主要内容包括：水箱的特性确定与实验曲线分析；应用 句编程来控制水箱水位； 编程控制器的硬件掌握； 数的整定及各个参数的控制性 能的比较和应用 制算法所得到的实验曲线分析以及在过程控制中遇到的问题分析。 第二章 设计的技术基础和控制对象 本次设计是基于 列中小型 计的，运用 法实现水箱液位的控制。本章将主要介绍液位控制系统的设计的技术基础和控制对象的特性。 门子 制系统 大、中型 如西门子的 7般采用模块式结构，用搭积木的方法来组成系统，模块式 机架和模块组成， 模块化的中小型 用于中等性能的控制要求。品种繁多的 功能模块能满足各种领域的自动控制任务，用户可以根据系统的具体情况选择合适的模块，维修时更换模块也很方便。当系统规模扩大和更为复杂的时候，可以增加模块，对 单实用的分布式结构和强大的通信联网能力，使其应用十分灵活。 块集成了过程控制功能，用于执行用户程序。每个 有一个编程用的 口，可以和计算机连接， 为下位机，利用计算机作为上位机进行编程。功能强大的 储容量为 512 8192 个存储器位， 512个定时器和 512个计数器， 数字量通道最大为 65536 点，模拟量通道最大为 4096 个，由于使用 电后无需后备电池可以长时间保持动态数据，使 主要特点是： （ 1） 功能强 极强的计算性能，完善的指令集， 口和通过 网的网络功能，使 强劲的内部集成功能，全面的故障诊断功能、口令保护，便利的连接系统和无槽位限制的模块化结构。 （ 2） 快速 极其快速的指令处理大大地缩短了循环周期。 （ 3） 通用，着眼未来 满足各种要求的高性能模 块和三种 模块可扩展至最多三个扩展机架，相当高的安装密度。 用于与 他产品相连的接口，集成了 机界面）设备，用户友好的 程，使得 为对未来的安全投资。 程控制实验对象系统 在毕业设计中用到 过程控制实验对象系统、 过程控制实验仪表控制台和西门子 制系统。 液位控制系统的原理图如图 2 阀 17为手动阀 压力变送器送出 420 单向泵 1：家用型单向泵 压力表：测量范围： 0 能型电动调节阀：输出电流 420制对象特性 阶单容上水箱特性 单容水箱系统结构图如图 2示，电动调节阀由 动输出，通 图 2水箱液位控制系统原理图 过阶跃响应测试确定系统的对象模型的各参数。阶跃响应响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象没模型的结构形式，对实验数据进行处理， 决定模型中各参数。 由阶跃响应确定一阶过程参数有两种方法，一种是直角坐标图解法，一种是半对数坐标图解法。毕业设计运用直角坐标图解法确定系统一阶系统的参数。系统的阶跃响应曲线如图 2示， t=0 时曲线斜率最大，之后斜率减小，逐渐上升到稳态值 h( )，该曲线可用一阶无时延环节来近似。 图 2阶系统阶跃响应曲线 如图 2示，设水箱进水口的进水量为 水口出水量 箱液面高度为 h。出水阀 4 固定于某一开度值。 根据物料动态平衡的关系，求得： 122 （ 2 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 11)( )()( 2 21 2 式中， T 为水箱的时间常数（阀 4 的开度大小会影响到水箱的时间常数）， T=，K=过程放大倍数， 阀 4 的液阻， C 为水箱的容量系数。令输入量 s） =R0/s， 常量，则输出液位的高度为 1)1()( 000 （ 2 根据上式，需要确定的参数是过程放大系数 K 和水箱的时间常数 T。 当 t=T 时， 有 ）（）（）（ 3 206 3 201010（ 2 即 )1()(0 （ 2 当 t时， h（） =而有 K=h（） /出稳态值 /阶跃输入。 过 t=0 作曲线切线，该切线与 h（）线交于 A 点，则 时间轴上的投影即为时间常数 T，见图 2 在一阶单容上水箱对象特性测试实验中，先设定输出值的大小，这个值根据出水阀门的开度大小来设定，初次设定的值为 ，开启单向泵电源开关，启动动力支路，将被控参数液位高度控制在（ 15上水箱的水位趋于平衡，平衡后输出值、水箱水位高度和测量显示值如表 2示。 表 2一次稳定后的纪录值 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 cm 速增加 动输出值，增加 5%的输出量，此引起的阶跃响应的 过程参数如表 2示。，由此得到的变化曲线如图 2示。 表 2加 动输出后的过程参数 t（秒） 水箱水位 组态读 数（ 图 2加输出值后的变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。 表 2的平衡状态的数据 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置， 纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示。 图 2到新的平衡的曲线 由上述的实验可以根据前面所说的方法求出一阶环节的参数 T 和 K。 T=） 00)0()()( R 阶双容下水箱对象特性 二阶双容水箱的系统结构图如图 2是由两个一阶非周期惯性环节串联 图 2水箱下水箱系统图 起来的，被调量是第二水槽的水位 输入量有一个阶跃增加 。被调量变化的反应曲线如图 2示的 线。它不再是简单的指数曲线，而是呈 图 2S 型的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中 S 型曲线的拐角 P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间 段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以 c 代表之。 设上水箱进水口的流量为双容水箱的输入量，下水箱的高度 输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为H )1)(1()()( )(2112（ 2 式中 K=23别为阀 5 和阀 6 的液阻， 2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的 K、 从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。 开启单向泵电源开关，启动动力支路，将 输出值迅速上升到小于等于 60，将被控参数液位高度控制在 15。系统的被调量 水箱的水位趋于平衡后，纪录 输出值、水箱液位 测量显示值如表 2示。 表 2阶双容下水箱对象特性实验第一次稳定后的纪录值 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 迅速增加 动输出值，增加 10%的输出量，这时的阶跃响应过程参数如表 2的过程变化曲线如图 2 表 2出增加后的阶跃响应参数 t（秒） 水箱水位 组态读数（ 图 2出值增加后的二阶系统的过程变化曲线 进入新的平衡状态，这时的数据如表 2示。 表 2的平衡状态的数据 出值 水箱水位高度 态显示值 0100 m 再将输出仪表调回到系统第一次平衡前的位置，纪录阶跃响应过程参数的曲线如图 2示。 图 2到新的平衡的曲线 由曲线 2得出 t）的稳态值的渐近线 ）为 ，)( 212 曲线上的点 ， )( 222 和对应的时间 。利用近似公式计算式 2 6 中的参数 K、2，具体如下： 02h （阶跃输入值输入稳态值 16.2 121 ）（）（ T = ， ， 。对于式 2示的二阶过程， ) (Or )(Or )(Or )(Or 串级控制系统及应用范围 串级控制系统 在大多数情况下，单回路控制系统能够满足工 艺生产的基本要求。但是在有些情况下，例如有些被控过程的动特性决定了它很难控制，又例如有些工艺过程对控制质量的要求很高，此时单回路控制系统就满足不了要求，需要开发和运用新的控制系统，以进一步提高控制质量。 对于过程控制系统装置，双级水箱液位控制比单级水箱液位控制困难，会遇到许多的问题，滞后时间比较长，对于环境的变化多少会受一定的影响，如想要好的控制效果就要引入新的控制系统，运用单回路控制系统来控制是不能达到控制精度和要求。串级控制系统、前馈补偿控制、大时延预估控制等一类较为复杂的控制系统就是适应上述要求而产生 的。 串级控制系统的一般结构框图如图 3示。 图 3一般串级控制系统框图 串级控制系统与简单控制系统的显著区别是，串级控制系统在结构上形成两个闭环，一个闭环在里面，称为副环 (或副回路 )，它的输出送往调节阀直接控制生产过程。串级控制只多了一个测量变送器，增加的仪表并不多，而控制效果却得到了显著的改善。 级控制特点及应用范围 特点： (1)能够迅速克服进入副回路的干扰，抗干扰能力强，控制质量强； （ 2）改善过程的动态特性， 提高了系统的工作频率； （ 3）对负荷和操作条件的变化适应性强； 应用范围： （ 1）应用于容量滞后较大的过程； （ 2）应用于纯时延较大的过程； （ 3）应用于干扰变化激烈的而且幅度大的过程； （ 4）应用于参数互相关联的过程； （ 5）应用于非线性过程； 第三章 控制方案设计 毕业设计的课题的液位控制系统原理图如图 2为有两个水箱，所以把它分成两个部分来分别设计。 统设计 水箱液位的自动调节 在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图 2相 泵正常运行，打开阀 1 和阀 2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入 过 A/入数字 节器中，经 。 当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是 过运算后即输出控制信号给电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡， 节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。 系统的控制框图如图 3示。 其中 给定信号，由用户通过计算机设定， 控制变量，它们的差是 节器的输入偏差信号，经过 节器的输出信号经过 D/A 转换成 420模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到 经过 A/D 转换成控制量 定值 控制量 过 e ,又输入到 节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。 图 3水箱液位自动调节系统控制框图 水箱下水箱液位串级控制系统 上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，外界环境的扰动较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。 上水箱下水箱液位控制系统图如图 2示，该系统 中，上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。控制框图如图 2里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。 图 2水箱下水箱液位控制系统框图 在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由 制两个水箱的水位。它有两个 别是制下水箱的液位，它的输出值作为 箱的液位。 整个系统的配置如图 2 图 2统配置图 123456元 7硬件设计 系统硬件的设计包括检测单元、执行单元和控制单元的设计，他们互相联系，组成一个完整的系统。 检测单元 在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进 行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。 液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式
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