蓄水池液位控制系统

1、南华大学过程控制仪表课程设计设计题目 PLC控制的蓄水池液位系统学生姓名 专业班级自动化1 002班学 号指导老师22目录1. 设计的目的和意义21.1设计目的 31.2 设计意义 32. 控制系统工艺流程及控制要求42.1 基本任务42.2 基求控制要求42.3 给定条件42.4 主要性能指标42.5 工艺流程图53. 总体设计方案63.1 控制方法选择73.1.1 控制方法选择73.1.2 系统组成73.2 系统组成84. 软硬件设计84.1 建模过程84.2 硬件开发及系统配置104.2.1 PLC系统一CPU模/数转换模块、数/模转换模块104.2.2 回路表104.2.3 PID 指

2、令114.2.4 程序流程图124.2.5 程序145. 课程设计实验186. 遇到的问题及解决方法187. 收获和体会1919参考文献第 1 章 设计的目的及意义1.1 设计目的对蓄水池液位 / 压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统 ,控制的任务是使水 箱的液位 /压力等于给定值 , 减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。 用液位 / 压力参数为被控对象。 交流电动机带动齿轮泵通过阀 1 向上水箱供水 , 调节阀 2 使之同时向外排水 ,令入水的速度大于出水的速度 ,达到被控参数 （液位/ 压力）的 动态调整 。1.2 设计意义 在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控

3、制问题 , 例如 居民生活用水的供应 , 饮料、食品加工 , 溶液过滤 , 化工生产等多种行业的生产 加工过程 , 通常需要使用蓄液池 , 蓄液池中的液位需要维持合适的高度 , 既不 能太满溢出造成浪费 , 也不能过少而无法满足需求。 因此液面高度是工业控制过 程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下， 采用适合的方法对液位进行检测、 控制，能收到很好的效果。可编程控制器（PLC是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的， 主要用来代替继电器实现逻辑控制。 PID 控制（比 例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。 本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程， 涉及到液位的动态控

4、制、 控制系 统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水 箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了 PID算法，控制核 心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传 感器，调节阀为电动调节阀。选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了 能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。液面高度是工业控制过程中一个重要的参数， 特别是在动态的状态下， 采用 适合的方法对液位进行检测、 控制， 能收到很好的效果。 液位控制是工业生产中 典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设

5、备优质、高产、 低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程 时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是 PID控制。即使在 美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%可见PID控制在工业 过程控制中占有异常重要的地位。 PID 控制技术经历了数十年的发展， 从模拟 PID 控制发展到数字 PID 控制，技术不断完善与成熟。 尤其近十多年来， 随着微处理 技术的发展， 国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃， 智能控制技术 发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业

6、过程控制的重 要组成部分。由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、 噪声等的影响， 控制对具有一定的 纯滞后和容量滞后的特点， 液位上升的过程缓慢， 呈非线性。 因此液位控制装置 的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。 本课题针对液位控制 设计了一个由压力传感器、PLG电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID 算法对其控制。第 2 章 蓄水池系统工艺流程及控制要求2.1 基本任务对蓄水池箱液位 /压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统 , 控制的任务是使 蓄水池的液位 / 压力等于给定值 , 减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。 用 液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动

7、齿轮泵通过阀 1向上水箱供水 ,调节 阀 2 使之同时向外排水 , 令入水的速度大于出水的速度 , 达到被控参数 （ 液位/ 压 力 ） 的动态调整 。2.2 基本控制要求对蓄水池，用西门子 S7-200 为控制核心，辅助以单片机系统配套的 A/D、 D/A转换单元及电路，通过执行数字PID程序实现参数的自动调整（设定值在单片 机键盘上完成 ）, 使水箱的实际液位 /压力值与设定值接近 , 最终稳定于设定值。组 成单闭环水位调节系统， , 要求水位可以在一定范围内由人工设定， 且各种测量、 控制参数可在人机界面上显示、设定。2.3 给定条件控制对象：蓄水池为核心的水循环系统检测元件：压力式液位

8、传感器执行元件：电动调节阀2.4主要性能指标液位控制范围：0-3m最小区分度：1cm控制精度：液位控制的静态误差w 1cm2.5工艺流程图图2-1单容液位蓄水池示意图上图是对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统，控制的任务 是使水箱的液位/压力等于给定值，减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀 Q1向上水箱供水， 调节阀Q2使之同时向外排水，令入水的速度大于出水的速度，达到被控参数（液 位/压力）的动态调整。其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度 h与流入量Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有:QiQ

9、2Adhdt(1)写成增量形式:Qi Q2AdJhdt(2)式中，Qi、 Q2和h分别为偏离某平衡状态Qi0、 Q20和ho的增量，A为水箱 的横截面积。dh °静态时应有Qi Q2，dt 。 Qi发生变化，液位h也随之变化，使水箱出口处静压力发生变化，因此Q2也发生变化，与h的近似线性关系为:Q2hR2（3）式中，R2为阀门2的阻力系数，称为液阻。将（2）（3）两式整理得:d hR2A hR2 Q1(5)2 dt21经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为:Wo(s)H(s)Qi(s)R2K。R2Cs 1 T0s 1(6)式中，Ko为过程放大系数,Ko R2 ； To为过程的时间常数，

10、To R2C ； c为过程容量，C a式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确 定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。第3章总体设计方案3.1总体方案的选择蓄水池的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为：Wo（s）HIS）旦0Q（S） T0S 1，此模型为一阶传递函数。3.1.1控制方法选择蓄水池液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的 过渡过程控制，可采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制；（2）比例控制（P控制）；（3）比例积分控制（PI控制）；（4）比例积分加微分控制（PID控制）

11、。PID控制适用与负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系 统。另外，PID算法有两种常见的实现形式：位置型PID算法和增量型PID算法， 结合本系统设计任务与要求，以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式 PID 控制方法最适合本系统采用。3.1.2系统组成以现代控制理论和PLC为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配 合执行器与控制阀构成的PLC控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，因此，应以PLC为核心组成 一个专用PLC应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。3.2确定系统功能、性能指标本例以实现设计任务基本要

12、求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实 现系统的最佳性能/价格比，对于系统要求的扩展功能将在最后讨论。根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：可以进行水位设定，并自动调节水位到给定水位值；可以调整PID控制参数，以满足不同控制对象与控制品质的要求；可以实时显示给定值与水位实测值。系统主要性能指标如下：液位控制范围：0-3m最小区分度：1cm控制精度：液位控制的静态误差w 1cm第四章软硬件设计4.1建模过程系统示意图如图2-1所示：经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：H（s） R2KoWo（s）2Q1（s） R2Cs 1 Tos 1（ 6）式中，Ko为过程放大系数，Ko R2

13、 ； %为过程的时间常数， R2c ； C为过程容量，C A。式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶 惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只与液位高度有关。因出 水管的流量为qv =VS，根据实验所测得的多组数据，可以计算出出水管的液阻， 见表4-1。多次求平均可得液阻值为637O.2O7。另外，水箱底部截面积的实验测量值为 O.O66O5 m2，由此可求得过程放大 系数KO=637O.2O7,过程的时间常数TO=42O.7648。所以系统无时延模型为：Wo(s)KoTos 1

14、6370420s 14.1.1系统功能划分、指标分配和框图构成根据系统总体方案，系统由四个主要功能模块组成，其总体框图如图4-1所示:图4-1水位控制系统总体框图4.2硬件开发一一系统配置4.2.1 PLC系统一一CPU模/数转换模块、数/模转换模块PLC系统以西门子S7-200系列CPU222为系统的核心，外扩EM231作为A/D转换模块和EM 232作为D/A转换模块，如图5-1所示。图4-2 PLC原理示意图图4-3 电动调节阀的组成框图422 回路表PID指令根据表（TBL）内的输入输出配置信息对引用回路 （LOOP执行PID 运算。PID指令有两个操作数，表示循环表起始地址及回路号L

15、OOP回路号是0-7的常量。程序内可使用8条PID指令。如果两个或多个PID指令使用相同的 回路号（即使它们的表地址不同），PID运算将相互干扰，结果难以预料。循环 表存储9个参数，用于控制及监控循环操作，包括过程变量、设定值、输出值、 增益、采样时间、积分时间、微分时间、积分前项以及过程变量前项值。在PID指令块内输入的表（TBL）起始位置开始为回路表分配 36个字节的空间，见表 4-5。表4-1 PID 的回路表偏移地址域格式类型说明0过程变量PVn双字-实数输入在0.00.1之间4设定值SPn双字-实数输入在0.00.1之间8输出Mn双字-实数输入/输出在0.00.1之间12增益Kc双字

16、-实数输入可为正数或负数16采样时间Ts双字-实数输入以秒为单位，必须为正数20积分时间Ti双字-实数输入以分钟为单位，必须为正数24微分时间Td双字-实数输入以分钟为单位，必须为正数28积分前项MX双字-实数输入/输出在0.00.1之间32过程变量前值双字-实数输入/输出最后一次运算的过程变量423 PID 指令PID指令的表示：其梯形图和语句表示如图5-3所示。PID指令的操作：PID指令必须用在定时发生的中断程序中，当PID指令被允许时，PID指令根据回路表中的数据进行 PID （比 例、积分、微分）运算，并得到输出控制量。图5-3 PID指令数值范围回路表TBL VB回路号LOOP常数

17、（07）PID调节器的个参数为：比例度 =0.102积分时间TI =6min微分时间TD=1.5min采样时间TS=1s再由100%KP得增益1=0.98表4-2=0.75时有自衡能力过程的整定公式调节规律WC( s)/T < 0.20.2< /T < 2.5TITDTITDP11T。2.6 0.08To0.7 ToPI1丄TiS1.1T。3.30.08 2.6 To0.6 ToO.8ToPID1 丄 TdS TiS0.85Td20.50.15 2.6 To0.08To0.8T00.19O.25Ti424程序流程图有了前面所讲述的S7-200 CPU提供的PID操作指令、PI

18、D编程步骤、电动调 节阀参数的整定过程，再结合水箱液位控制系统本身的特点， 可以从整体上来构 思和规划出本系统的程序流程图， 它应包括主程序、初始化子程序、定时中断程 序三部分：主程序0B1主程序的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0子程序SBR0子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并开中 断。其流程图如下：定时中断程序INTO定时中断程序INTO的功能是输入水箱的水面高度 AIWO的值，并送入回路表。其流程图如下：425程序主程序OB1Network 1NETWORK TITLE 宙n犯 line)初始化子程序SBRO定时中断程序INTO

19、:(a)模拟量输入(b) PID指令(c)模拟量输出系统运行时，调节阀控制方式有两种，一是手动控制，一是自动控制，两种运行方式之间的切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：10.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。本系统的程序仅有自动控制方式的设计，10.0=1时进行PID “自动”控制， 把PID运算的输出值送到AQW中，从而控制调节阀的开度，以使水箱的液位达 到设定的水位高度。第五章.课程设计实验连机调试就是在样机中全速运行系统软件， 观察系统运行情况， 并根据运行 结果修改控制参数，或对软、硬件方案件进行必要的修改，重复调试过程，直到 系统能满足各项性能指标要求为止。

20、控制系统设计完成后， 最主要的任务就是调试， 调试工作分为两大阶段， 一 是实验室调试阶段，二是现场调试阶段：一、 实验室调试：应分为硬件调试和软件调试两部分， 首先是硬件调试， 根据 设计逻辑图搭建好系统后， 便进入硬件调试阶段。 其次是软件调试， 即为 调节器的参数整定。经过硬件、软件的单独调试后，即可进入硬件、软件 联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。二、 现场调试： 实验室调试工作完成以后， 即可组装成系统， 在现场投运行和 进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。值得说明的是， 软件、硬件的调试是一个综合性的系统工程，必须反复进行才能完成。本例中

21、最主要的连机调试过程是进行 PID 参数整定。不同的控制对象和控制 环境需要不同的 PID 参数，即使是同一个控制对象和控制环境， 对控制品质的不 同要求也需要对 PID 参数重新进行整定。根据生产过程的实际情况， 首先将检测传感器投入运行， 观察其测量显示的 参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控， 待被控参数在给定值附近稳定下来后， 再从手动切换到自动控制。在调节器从手动切换到自动运行前必须做好细致的检查工作， 检查调节器的 PID 参数是否配置好等。检查完毕后，当测量值与给定值的偏差为零时，将调节 器由手动切换到自动，于是实现了系统的投运。系统投入自动运行后，观察系统的控制质量指标是否达到

22、设计要求，否则， 在对调节器的 PID 参数适当的微调，以期达到较好的控制质量的设计。第 6 章 调试或仿真过程中遇到具体问题和解决的办法在调试仿真中， 我们发现， 当工业对象存在时变性、 非线性和不确定性时，PID控制往往不能保证良好的控制品质，对于大惯性、大时滞的对象，其效 果也不能令人满意，原因在于常规 PID 控制器的参数是经离线整定后相对固定， 不能根据对象特性变化和动态过程修改控制参数。 在实际工业控制过程中， 由于 对象的特性变化或者具有动态特性， 需要采取更加灵活有效的控制方式， 因此我 们决定采用增量式 PID。第 7 章 收获和体会。通过这段时间不懈的努力，我们终于完成了课程设计 - 蓄水池的液位控制 系统设计。 在这段时间中