液位控制设计.doc

自动控制系统课程设计设计题目：单回路控制系统前馈反馈系统的设计班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 设计时间：2013年7月1号2013年7月19号 摘要 本文阐述了水位单回路控制系统与前馈反馈控制系统的工作原理与设计方法，并详细介绍了两种控制方案各自的优缺点与适用场合。针对两种水位控制系统的设计，从软硬件两方面介绍其实现方法，最终在西门子S7300上利用step7编程设计完成了水位控制。本文首先介绍了国内外控制技术的发展现状，向读者展现了过程控制技术对于国民生产的重要性，接着介绍了过程控制领域尚未解决的难题。而后针对要解决的问题设计了两种方案并得到了其可行性结论，在此基础上进行系统设计、原理分析、设备选型、设备接线等工作，在此期间，本文既采用文字描述又通过绘制原理图与方框图进行描述。最后，在西门子PLC上编程进行实际操作。经验证后，证明所设计的控制系统可以达到预期目的。关键词：水位控制、西门子PLC、控制系统1.1设计目的1.进一步熟悉西门子PLC的工作原理及使用方法。2.掌握水位控制系统的设计与调试方法。1.2设计内容本课程设计是以自动化专业过程控制系统课程为背景，充分利用过程控制实验室的现有实验条件，针对水位这一过程控制中非常普遍的控制对象（被控参数）进行控制系统设计。1.3设计要求 1.控制系统可行性分析。通过进行背景调查最终得出控制系统可行的结论，给以下设计提供肯定的支持。2.控制原理分析与设计。得到可行结论后，开始对控制系统原理方案进行详细的分析与设计，根据所设计系统的特点，参考实例、对水位控制系统进行设计。3.控制系统设备选型。根据系统需要确定设备数量和功能等要求，在多种设备中选择性能最适合设计需要的仪表设备型号，最后根据设备型号与设备说明书、端子说明进行接线图的绘制。4.控制系统检测控制原理图。包括：控制系统检测控制原理图与控制系统方框图。5.控制系统接线图。目录摘要21.1设计目的31.2设计内容31.3设计要求32.1控制系统可行性分析52.1.1 国内外控制水平发展及现状52.1.2 过程控制难点及目前解决程度62.1.3 拟采用控制方案的特点及概述72.1.4 所设计系统的可行性结论82.2控制原理分析与设计92.2.1 水位单回路控制系统92.2.2 水位单回路控制过程描述102.2.3 水位前馈反馈控制系统112.2.4 水位前馈反馈控制过程描述122.2.5 检测参数选择和控制参数选择132.3控制系统设备选型132.3.1 实验装置132.3.2 CPU152.3.3 模拟量输入模块182.3.4 模拟输出模块192.3.5 QS智能型电动调节阀212.3.6 电磁流量计222.3.7 设备清单222.3.8 软件选型232.4 控制系统接线图24心得体会25参考文献272.1控制系统可行性分析2.1.1 国内外控制水平发展及现状20世纪40年代以后，工业生产过程自动化技术发展很快，尤其是近些年来，在IT技术的带动下，过程控制技术发展十分迅猛。过程控制装置与系统的发展大致分为以下几个阶段：（1）局部自动化阶段（20世纪50-60年代） 这个阶段的过程控制系统大多数是单输入-单输出系统；被控参数主要有温度、压力、流量和物位；控制的目的是保持这些工艺参数的稳定，确保安全生产。生产的规模比较小，多用气动仪表实现就地的简单控制。到20世纪50年代后期至60年代，先后出现了气动和电动单元组合仪表，采用了集中监控与集中操作的控制系统，实现了工厂仪表化和局部自动化。（2）集中控制阶段（20世纪60-70年代） 这时的过程控制系统大量采用单元组合仪表和组装式仪表，生产过程实现了车间范围和大型系统的集中监控。为了提高控制质量和满足特殊工艺的控制要求，开发使用了多种复杂控制系统方案。特别是前馈控制、选择控制的实现，使过程控制品质、安全性大为提高。（3）集散控制阶段（20世纪70年代中期至今）此时的大型生产过程一般都是分散系统，这样可以使生产过程控制分散进行，将发生故障和危险的风险分散。基于“集中管理，分散控制”理念，在数字仪表和计算机与网络技术基础上开发的集散型控制系统在大型生产过程控制中得到广泛应用。过程控制系统的结构也由单变量控制系统发展到多变量系统，由生产过程的定值控制发展到最优控制、自适应控制等。到了20世纪90年代以后，过程控制系统的开放性、兼容性和现场仪表与装置的智能化水平发生了质的飞跃。工厂自动化、计算机集成过程控制、计算机集成制造系统、和企业资源综合规划、等方案的规章和实施，正在成为提高工业生产过程经济效益的关键手段。2.1.2 过程控制难点及目前解决程度过程参数的未知性、时变性、随机性、分散性；过程时滞未知性和时变性；系统严重的非线性； 各变量间的关联性；环境干扰的未知性、多样性和随机性。上述特性，因其属于不确定性过程控制，其控制难度是非常大的。 目前，针对在模型不确定情况下达到满意品质指标的方法主要有如下3种：1. 鲁棒控制策略：由于鲁棒控制方法给出的是一个确定性的控制律, 加上设计可以离线进行, 对计算量的要求也不高, 因此易于实现。只是因为所得到的控制律要求对所有允许的不确定性都适用, 这样所得到的结果往往比较保守。2. 模糊控制策略：其突出的特点在于, 一方面控制系统的设计不要求知道被控对象的精确数学模型, 只需要提供现场操作人员的经验知识及操作数据; 另一方面由于控制系统的鲁棒性强, 适应于解决常规控制难以解决的非线性、时变及滞后系统等。3. 神经网络控制策略：计算机的大量使用不仅可以实现如自适应、鲁棒控制等策略中的控制算法, 而且通过离线的CAD方法还可以实现基于经验的搜索而得到具鲁棒的控制结构, 从而使不确定性控制系统的控制策略更具实际意义。综上所述，针对模型不确定情况下达到满意品质指标的方法各有各自的优缺点，至今还未找到一种方法可以完全解决该问题。2.1.3 拟采用控制方案的特点及概述本小组拟采用单回路控制及前馈反馈控制两种控制方案，调节器均为PI调节器。单回路控制系统：针对一个过程参数，采用一个控制器和与之配套的检测元件及变送器和执行器都只有一个的简单控制系统，它只有一个输入信号和一个输出信号，与过程中的其他参数没有或极少有关联，是生产过程中应用十分广泛的基本控制系统。一般来说，只有单回路控制系统不能满足生产过程控制要求时，才有必要采用其他复杂的控制系统。 前馈反馈：将那些反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其它的干扰进行反馈控制。这样，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能同时克服多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。前馈反馈控制系统有如下优点：1)由于反馈回路的存在，不仅可以降低对前馈补偿器精度的要求，为前馈补偿器的工程实现提供有利的理论依据；同时，对于工况变动时所引起对象非线性特性参数的变化也具有一定的自适应能力。 2)前馈控制器的特性，不但取决于过程扰动通道及控制通道特性，还与反馈控制器的控制规律有关。 3)而前馈-反馈系统因它兼有前馈及反馈控制的优点，所以在一定程度上克服了控制精度与稳定性的矛盾，故能显著地改善控制系统的品质。2.1.4 所设计系统的可行性结论根据实验室水箱液位控制过程较为简单，异于工厂中的复杂设备的特点，考虑所设计系统的实用性、可靠性、灵活性等要求，选用了单回路控制系统与前馈、反馈控制系统两种方案，完成后可实现控制水箱液位的预期目标。鉴于液位控制工程对自动化水平要求较高，系统设计首先应考虑稳定可靠；其次，由于实验室水箱设备复杂程度不及工业实际设备，因此选择系统构成灵活、易于扩展、编程简单、使用方便的西门子PLC最为合适；此外，本小组在对所设计系统中的设备进行选型时多采用实验室已有的设备，无需或很少选用其他设备，从经济角度来看，我们节约了一定的设计成本。其中，西门子PLC完成工艺流程的回路控制和检测并实现对整个流程的编程、监控、操作等功能。2.2控制原理分析与设计2.2.1 水位单回路控制系统系统为由被控对象、执行器、调节器和测量变送器组成的单闭环控制系统。系统的给定量为某一定值（此次试验给定量为15cm），要求系统的被控制量稳定于给定量。如图3-1所示为水位单回路控制系统工艺图。 图2-1水位单回路控制系统工艺图过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为单回路控制，即为闭环控制系统，如图3-2所示。 图2-2 水位单回路控制系统框图2.2.2 水位单回路控制过程描述当西门子PLC与电脑、水箱连接后，首先在PLC中设定给定量为10cm，然后启动PLC与其他相关设备，水泵将水注入到水箱中，此时由于水箱中水量较少（水位较低）所以给定量与反馈量的差值较大即系统输入值较大，使进水阀门开度较大，从而使进水很快。一段时间后，当给定值接近反馈值时，系统的输入值变小，进水阀门开度减小（接近出水阀开度），使得实际水位逐渐逼近预期水位。当反馈值大于给定值时，系统输入为负，使得进水阀门开度减小到小于出水阀门即进水量小于出水量，在此作用下，水箱的实际水位将重新趋近于预期水位。如此重复若干回合后，水箱中的水位便被稳定控制在10cm处。当水箱受到扰动时例如水箱底部损坏出现漏水，此时水箱内水位会低于给定值。水位降低通过反馈回路反馈给PLC，PLC通过增加系统的输入量使得进水阀门开度增大，水位将接近给定值，与前述情况类似，水位经过在给定值附近若干次振荡后，最终重新稳定在给定值。2.2.3 水位前馈反馈控制系统在前馈反馈控制系统中，将那些反馈控制不易克服的主要干扰进行前馈控制，而对其它的干扰进行反馈控制。这样，既发挥了前馈校正作用及时的优点，又保持了反馈控制能同时克服多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。系统为由被控对象、执行器、调节器、前馈补偿器和测量变送器组成的前馈反馈控制系统。系统的给定量为某一定值（此次试验给定量为10cm），要求系统的被控制量稳定于给定量。如图2-1所示为水位前馈反馈控制系统工艺图，图2-2所示为水位前馈反馈控制系统框图。 图2-3水位前馈反馈控制系统工艺图 图2-4水位前馈反馈控制系统框图2.2.4 水位前馈反馈控制过程描述你前馈反馈控制系统主要目的是快速克服扰动作用，因此在此不再赘述启动过程（与单回路控制系统相似）而直接分析受扰动作用的过程。当扰动出现时例如进水阀损坏导致进水量增大，若只采用单回路控制系统，由于被控对象存在一定的定的纯滞后和容量滞后，因而，从干扰产生到被控量发生变化需要一定的时间；从偏差产生到控制器产生控制作用以及操纵量改变到被控量发生变化又需要一定的时间。可见，这种反馈控制方案的本身决定了无法将干扰克服在被控量偏离设定值之前，从而限制了这种控制方案控制品质的进一步提高。而对于前馈反馈控制系统，当进水出现扰动时，前馈控制器根据扰动的性质及大小对过程的控制通道施加控制，使被控量发生与前者相反的变化，以抵消扰动对被控量的影响。前馈通道与反馈通道的校正作用迭加的结果将使水位尽快地回到给定值。但系统出现其它扰动如水箱漏水、出水阀门损坏导致出水量增大等，由于这类信息未被引入前馈补偿器，故对于这类扰动前馈补偿器不进行校正，只能依靠反馈调节器产生的校正作用克服它们对被控水位的影响。2.2.5 检测参数选择和控制参数选择 检测参数：水箱水位与进水流量。水箱底部的压力传感器可以检测水箱中水对底部的压力，进而通过大小与单位的换算、变送得到此时水箱的水位。当采用前馈反馈控制时，进水流量作为扰动量，因此也应被检测到。控制参数：进水流量。水箱的出水阀门开度是固定的即出水量一定，因此，当水位偏离给定值时，应通过改变进水流量调整水位高度。2.3控制系统设备选型2.3.1 实验装置本实验采用的是CS4000型过程控制实验，如图2-5所示，是中控科教根据自动化及相近专业的教学特点和学生培养目标，结合国内外最新科技动态而推出的集智能仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的普及型多功能实验装置。 图2-5 CS4000实验装置示意图CS4000实验装置包括两个独立的水路动力系统，一路由循环泵、电动调节阀、电磁流量计组成（主管路），由电动调节阀调节流量，电磁流量计检测流量；另一路由变频器、循环泵、涡轮流量计组成（副管路），由变频器调节流量，涡轮流量计检测流量。对于单输入单输出系统，主管路水流量可作为主要的操作变量，而副管路水流量可作为主要的扰动变量；而对于多输入多输出系统，主副管路的水流量都将作为多变量系统的操作变量。对于上水箱单回路液位控制系统和前馈控制系统，可以都选择循环泵、电动调节阀、电磁流量计构成水路动力系统。对液位的检测可以使用电磁流量计在水箱下部水流出的阀部进行检测，因为液位的高度与压差成正比，而压差是与水流量的大小有关的。水路系统的控制选用可编程逻辑控制器（PLC）进行控制，同时也要选用开关电源。由于PLC的输出及输入是标准信号（1-5V，4-20mA），功率如此小的信号不足以驱动实际的电气设备（如电动调节阀），因此需要采用模拟量的输入和输出模块。为了使PLC与上位的PC机通信，需要使用RS232485转换模块。2.3.2 CPUPLC的CPU实物图如图2-6所示。图2-6 PLC的CPU实物图CPU操作员控件和指示灯及说明如下图2-7所示。图2-7 T-CPU的操作员控件和指示灯315T-2 DP 的技术数据如表2-1所示。表2-1 315T-2 DP 的技术数据2.3.3 模拟量输入模块在这里我们选择SM331AI2*12位，型号为6ES7331-7KB02-0AB0作为我们的模拟量输入模块，这主要是考虑到我们这个实验当做要用到的模拟输入量不多，只有两个，该型号的AI模块正好满足我们要求。属性每个通道组的精度均可编程（9/12/14 位 + 符号） 各通道组可选择任意测量范围 可编程诊断和诊断中断 一个通道的可编程限值监视 越限时的硬件中断可编程 与 CPU 和负载电压之间存在电气隔离（不适用于 2DMU） 精度测量值精度直接与所选的积分时间成比例，即在模拟量输入通道，测量值精度与积分时间的长短成正比。硬件中断可以在 STEP 7 中对通道组的硬件中断进行编程。 但是，仅为通道组的第一个通道（即通道 0）设置硬件中断。端子分配图2-8给出了各种接线选项。输入阻抗取决于设置的量程。2.3.4 模拟输出模块模拟输出模块 SM 332; AO 4 x 12 位，6ES7332-5HD01-0AB0，接线图如图2-9所示， 电压输出的2线和4线连接图329 模拟量输出模块输出范围如表2-2所示。表2-2 模拟量输出模块输出范围2.3.5 QS智能型电动调节阀QS智能型电动调节阀如图2-10所示。图2-10 QS智能型电动调节阀智能型电动调节阀由QS智能型直行程电动执行机构构成，它直接接受420mA/412mA/1222mA/05V/15V等控制信号，输出隔离420mA阀位反馈信号，具有自诊断功能，使电机带动减速器，运行而产生轴向推力，阀芯作响应移动，从而达到对压力、流量、温度、液位等工艺参数的调节。2.3.6 电磁流量计浙大中控SF10TD-C一体式电磁流量计，内壁光滑、无阻流件，压力损失为零，测量精度0.5%，其结果不受液体的压力、温度、密度、电导率等物理参数影响，工作可靠。电磁流量计以电磁感应定律为基础，在管道两侧安放磁铁，以流动的液体当作切割磁力线的导体，由产生的感应电动势测知管道内液体的流速和流量。2.3.7 设备清单设备清单如表2-4所示。表2-4 CS4000设备清单序号名 称功能型号产地数量对象配置清单1设备框架喷塑整体框架浙江中控12液位控制水箱液位控制实验用浙江中控43加热水箱加热浙江中控14纯滞后水箱纯滞后实验浙江中控15水泵磁力泵RS15/6德国威乐26温度传感器Pt100热电阻Pt100浙江37压力传感器扩散硅压力变送器701系列浙江中控48流量计涡轮流量计LWGY-10AP(0-1.2m3/h)上海19电动调节阀智能电动单座调节阀Dg20-15上海110流量计电磁流量计SF10TD(0-1.2 m3/h)浙江中控111变频器带通讯接口FR-S520-0.4Kw-CHR日本三菱112调压装置单相调压模块LSA-2P25YB浙江中控113温度变送器电阻信号转电流SBWZ-PT100浙江中控114防干烧装置防干烧探头浙江中控115二位式温度表温度显示与变送XTF-6102I浙江1表2-4 CS4000设备清单（续）序号名称及功能型号产地数量上位控制系统1控制台浙江中控12智能数字调节记录仪C3000浙江中控13模拟量输入模块8017台湾14模拟量输出模块8024台湾15S7-200PLC主机CPU222 DC/DC/DC西门子16模拟量4输入/1输出模块EM235西门子17流量积算仪AI708上海18RS232/485转换头RS232/485浙江1924V开关电源24V/3A浙江110自锁紧接头插座及连接导线自锁紧线南京1软件及附件配置1MCGS组态软件64点正版软件北京12西门子STEP7软件STEP7 MicrowinV4.0西门子13仪表组态软件CS4100-YB浙江中控14DDC控制实验软件CS4100-DDC浙江中控15PLC组态软件及源程序代码CS4100-PLC浙江中控16实验装置说明书CS4100-SM01浙江中控1套7实验操作指导书CS4100-SB01浙江中控1套8实验装置电气附件CS4100-SD01浙江中控1套2.3.8 软件选型西门子step7西门子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形图逻辑、功能块图和语句表进行编程操作。PCD1 和 PCD2 Saia-PCD 控制设备也可以用Siemens Step7 来编程。使用Step7编程可以在Saia PCD上实现某些集成在Step7内的功能.不只是兼容。在常规功能之外还具备以下的特点：DK 3964 R/RK 512 等标准协议已经集成到控制器内，不需要额外驱动；MPI 接口集成 modem 支持：内置modem 功能，可进行远程编程、诊断或数据传输；编程不需 MPI 转换器，直接通过PC上的 RS232；现场总线通讯功能，控制器功能中已集成了Profibus DP Master / Slave，Profibus FMS 和 LONWorks；利用web server进行监控. 储存 HTML 网页、图片、PDF 文件等到控制器里供通用浏览器查看。2.4 控制系统接线图AI模块与AO模块接线图，如图2-11及图2-12所示。图2-11 AI模块图2-12 AO模块心得体会身为自动化专业的学生，在学好专业课程的基础上，着重锻炼将理论与实践结合的能力显得尤为重要。因此，课程设计是一次很好的锻炼机会。 在拿到课程设计题目后，我本以为依靠自