液位控制系统和直流电机控制系统设计

1、课程设计报告用纸项目一: 液位控制系统设计第一章 单容水箱设备组成及其工作原理1.1单容水箱设备的组成（1） 液位变送器：液位传感器是用来上位水箱和下位水箱的液位进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质，低功耗精密器件，稳定性和可靠性大大提高。本传感器精度为0.5级，因为二线制，故工作时需串联24V直流电源。（2） 电动调节阀：调节阀用于调节介质的流量、压力和液位。根据调节部位信号，自动控制阀门的开度，从而达到介质流量、压力和液位的调节。调节阀分电动调节阀、气动调节阀和液动调节阀等。调节阀由电动执行机构或气动执行机构和调节阀两部分组成。调节并通常分

2、为直通单座式和直通双座式两种，后者具有流通能力大、不平衡办小和操作稳定的特点，所以通常特别适用于大流量、高压降和泄漏少的场合。（3） 变频器：变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。变频器实际上就是一个逆变器。它首先是将交流电变为直流电，然后用电子元件对直流电进行开关，变为交流电。一般功率较大的变频器用可控硅，并设一个可调频率的装置，使频率在一定范围内可调，用来控制电机的转数，使转数在一定的范围内可调。变频器广泛用于交流电机的调速中，变频调速技术是现代电力传动技术重要发展的方向，随着电力电子技术的发展，交流变频技术从理论到实际逐渐走向成熟。变频器不仅调速平滑

3、，范围大，效率高，启动电流小，运行平稳，而且节能效果明显，所以应用越来越广泛。（4） 水泵：水泵是一种利用大气压强将低处的水汲往高处的机器,多半是以电动机作为动力。抽水的电动机泵通常把提升液体、输送液体或使液体增加压力 , 即把原动机的机械能变为液体能量从而达到抽送液体目的的机器统称为泵。在水泵出水口装有压力变送器，与变频器一起可构成恒压供水系统。（5） 模拟量输入模块：模拟量输入模块可测量多通道交流电压、电流输入信号。（6） 模拟量输出模块。1.2单容水箱设备的工作原理本实验系统的被控量为上小水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值。将压力传感器检测到的上小水箱液位信号作为反馈信号，

4、在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PID控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值传送到PLC中，由PLC将数字信号转换成模拟信号。最后，由PLC的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。第二章 PLC的设计2.1 PLC硬件在这使用西门子S7-200 PLC进行研究，西门子P

5、LC产品在国内市场推广较早，是国内应用最广泛的PLC产品之一，S7-200PLC是一种小型PLC，其结构紧凑，功能强大，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或者连成网络皆能实现复杂控制功能。 S7-200PLC控制器硬件系统由四部分组成：CPU模块、扩展模块及PC/PPI电缆，还有计算机。系统连接如图1所示图1 系统连接图PLC模拟量闭环控制系统如图2所示，点划线部分在PLC内。在模拟量闭环控制系统中，被控量c(t)（液位）是连续变化的模拟量，某些执行机构（变频器）要求PLC输出模拟信号M（t）,而PLC的CPU只能处理数字量。

6、c(t)首先被测量元件（传感器）和变送器转换为标准量程的直流电流信号或直流电压信号pv(t)，PLC的模拟量输入模块用A/D转换器将它们转换为数字量pv(n)。 PLC按照一定的时间间隔采集反馈量，并进行PID控制的计算。这个时间间隔为采样周期。图中的sp(n)、pv(n)、e(n)、M（n）均为第n次采样时的数字量，pv(n)、M（t）、c(t)为连续变化的模拟量。图2 PLC模拟量闭环控制系统框图在中水箱右液位闭环控制系统中，用压力传感器检测水箱液位，液位变送器将传感器输出的微弱的电压信号转换为标准量程的电流或电压，然后送给模拟量输入模块，经A/D转化后得到与液位成比例的数字量，CPU将它

7、与液位设定值比较，并按PID控制算法对误差值进行运算，将运算结果（数字量）送给模拟量输出模块，经D/A转换后变为电流信号或电压信号，用来控制调节阀控制量，通过它控制进水流量，实现对液位的闭环控制。2.2 程序编写鉴于上述，采用PLC中的PID回路指令进行程序的编写，该指令利用回路表中的输入信号和组态信息，进行PID运算，使用方法非常方便。其中使用PID指令的关键有三步：1. 建立PID回路表；2. 对输入采样数据进行归一化处理；3. 对PID输出数据进行工程量转换。表1 PID回路表变量名变量类型寄存器数据类型读写属性数据范围描述PID0-PVI/O实数VD100Float只读01测量值PID

8、0-SPI/O实数VD104Float读写01设定值PID0-MVI/O实数VD108Float读写01输出值PID0-PI/O实数VD112Float读写-1000 1000增益Kp，负数为副作用，正数为正作用PID0-II/O实数VD120Float读写010000积分时间Ti，单位为分钟PID0-DI/O实数VD214Float读写010000微分时间Td，单位为分钟PID0_A_MI/O实数VB481Bit读写01为0时自动，1时手动第22页图3程序流程图此梯形图，分为三部分：MAIN(主程序)、SBR1 SBR3子程序、SCALE,UNSCALE INT_0（中断服务子程序）。MAI

9、N：调用初始化子程序初始化：建立PID回路表，装入设定值、回路增益、积分时间以及微分时间（地址参照表1 进行配置）；设置时基0，每100MS产生中断，并连接中断事件。PID算法： 第三章 系统组态的设计3.1通信组态通信组态软件是重要组件，是项目开始的第一步。在这里将完成通信口、单元的创建及配置，模拟量、开关量、电度、保护定值、SOE事件、操作等成员的运行参数设定。本软件采用可视化设计方法，鼠标拖拉操作风格，使原本复杂难懂的系统管理任务变得十分轻松自如。新建工程项目。然后选择设备，COM1。然后再工作区选择“新建”。双击，在设备配置向导生产厂家、设备名称、通讯方式窗口中选择串口。选择下一步，然

10、后设置逻辑名称下水箱，如图4所示。图4选择“下一步”。然后设置串口号，依据计算机的通讯端口来选择。单击“下一步”，然后设置地址，首先设置内给定仪表，所以设定地址2，如图5所示。图5单击“下一步”，设置通讯参数，不需要改变任何参数。单击“完成”，就可以看到整个设置的参数。3.2 变量组态数据库是“组态王”软件的核心部分，工业现场的生产状况要以动画的形式反映在屏幕上，操作者在计算机前发布的指令也要迅速送往生产现场，所有这一切都是以实时数据库为中介环节，所以说数据库是联系上位机和下位机的桥梁。选择工程浏览器左侧大纲项“数据库/数据词典”，在工程浏览器右侧用鼠标左键双击“新建”图标，弹出“变量属性”对

11、话框。此对话框可以对数据变量完成定义、修改等操作，以及数据库的管理工作。在“变量名”处输入变量名，如：调整跨度；在“变量类型”处选择变量类型：内存实数，单击“确定”即可。下面定义一个I/O变量。在“变量名”处输入变量名，如：PID0_P；在“变量类型”处选择变量类型：I/O实数；在“连接设备”中选择先前定义好的IO设备：sim；在“寄存器”中定义为：V112；在“数据类型”中定义为：float类型。单击“确定”即可。图6 定义I/O变量同上述步骤，建立如下图7数据变量： 图7 数据变量3.3 画面组态针对单容下水箱液位变频器PID单回路控制实验的画面组态如图8所示。 图8单容下水箱液位变频器P

12、ID单回路控制实验的画面组态图创建组态画面：使用工程管理器新建一个组态王工程后，进入组态王工程浏览器， 单击工程浏览器左边“工程目录显示区”中“画面”项，右面“目录内容显示区”中显示“新建”图标，鼠标双击该图标，弹出“新画面”对话框，如图9所示。 图9新画面在对话框中可定义画面的名称、大小、位置、风格，及画面在磁盘上对应的文件名。该文件名可由“组态王”自动生成，工程人员可以根据自己的需要进行修改。输入完成后单击“确定”按钮使当前操作有效，或单击“取消”按钮放弃当前操作。这样就建立一个画面名称为“单容水箱液位测试实验”的新画面。画面编辑命令。3.3.1动画连接定义动画连接是指在画面的图形对象与数

13、据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来。为实现在画面中水箱右侧矩形对象模拟水箱实际液位，可作如下操作。双击中水箱左侧矩形对象，可弹出“动画连接”对话框，选择“模拟值输出”，可弹出“模拟值输出连接”对话框，其中表达式选择“本站点PID0_PV”，其设置如图10。图10模拟值的动画连接创建模拟量输入可作如下操作：双击按钮“P设置”，可弹出“动画连接”对话框，选择“模拟量输入”，在弹出“模拟值输入连接”对话框中变量名选择“本站点PID0_P”，其它设置如下图11所示。图11模拟量输入设置关于“命令语言”设置如下：双击按钮对象“开始”，可弹出“动画连接”

14、对话框，选择“命令语言连接”的“弹起时”，在弹出“命令语言”对话框中填入“本站点开始停止=1;”，单击确定。可实现，按下该按钮时，变量开始停止=1。图12 命令语言的使用第四章 调试4.1调试步骤 1.加载PLC程序。 2.关闭PLC软件，关闭变频器开关，进入组态王组态运行模式。 3.打开变频器开关，在监控画面上点击“进入系统”，进入监控画面，设定液位给定值，开始运行按钮和自动按钮。 4.根据液位上升速度和液位实时曲线反复调节P、I、D参数，使液位达到设定液位同时曲线上升平稳。 5.打开手动按钮，按动进水按钮看是否进水。运行结果4.2运行结果&

15、#160;通过反复调试和修改，使得该系统正常平稳运行。同时得到以下监控画面：1系统运行图2实时监控曲线项目二:直流电机控制系统设计第一章 直流电机控制系统的组成及工作原理 1.1直流电机控制系统的组成直流电机：直流电动机是依靠直流电驱动的电动机，在小型电器上应用较为广泛。以下为直流电动机的工作原理图:此为一个简单的直流电（D.C.）电动机。当线圈通电后，转子周围产生磁场，转子的左侧被推离左侧的磁铁，并被吸引到右侧，从而产生转动。转子依靠惯性继续转动。当转子运行至水平位置时电流变换器将线圈的电流方向逆转，线圈所产生的磁场亦同时逆转，使这一过程得以重复。PCI1711：PCI-1711/1711L

16、 是一款功能强大的低成本多功能PCI 总线数据采集卡。PCI-1711 有2 路模拟量输出通道，PCI-1711L 没有模拟量输出通道。用户可以在PCI-1711 和PCI-1711L 之间选择能够满足实际需要又节约成本的数据采集卡。PCI-1711/1711L 完全符合PCI 规格Rev2.1 标准，支持即插即用。在安装插卡时，用户不需要设置任何跳线和DIP 拨码开关。实际上，所有与总线相关的配置，比如基地址、中断，均由即插即用功能完成。PCI-1711/1711L 有一个自动通道/增益扫描电路。在采样时，这个电路可以自己完成对多路选通开关的控制。用户可以根据每个通道不同的输入电压类型来进行

17、相应的输入范围设定。所选择的增益值将储存在SRAM 中。这种设计保证了为达到高性能数据采集所需的多通道和高速采样（可达100KS/s）。1.2工作原理从传感器和直流电机等模拟和数字被测单元中自动采采集信号送到上位机组态王中进行分析、处理，并进行PID计算。进而控制直流电机的速度。第二章 PID的设计 2.1 直流电机控制系统的PID算法控制本设计采用的是工业控制中最常用的PID控制规律，内环与外环的控制算法采用PID算法，PID算法实现简单，控制效果好，系统稳定性好，外环PID的输出作为内环的输入，内环跟随外环的输出。在工程实际中，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

18、控制，又称PID调节。它结构简单，参数易于调整，在长期的应用中积累了丰富的经验。其常规PID控制系统原理框图如图15所示。 积分比例微分被控对象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t) 图15 PID控制系统原理框图 PID控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差。 （1-1) 将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。它的控制规律为 (1-2)写成传递函数形式为 (1-3)式中为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。第三章 系统组态的设计3.1通信组态通信组态软件是重要组件，

19、是项目开始的第一步。在这里将完成通信口、单元的创建及配置，模拟量、开关量、电度、保护定值、SOE事件、操作等成员的运行参数设定。本软件采用可视化设计方法，鼠标拖拉操作风格，使原本复杂难懂的系统管理任务变得十分轻松自如。新建工程项目。然后选择设备，新建PCI1711。如图16所示 图16 逻辑名称的设定一直单击“下一步”，设置通讯参数，不需要改变任何参数。单击“完成”，就可以看到整个设置的参数。如同17所示图17 安装的设备信息3.2变量组态定义一个I/O变量。在“变量名”处输入变量名，如：AO_motor；在“变量类型”处选择变量类型：I/O实数；在“连接设备”中选择PCI1711设备；在“寄

20、存器”中定义为：DA0；在“数据类型”中定义为：float类型。单击“确定”即可。如图18图18定义一个内变量。在“变量名”处输入变量名，如：速度滤波；在“变量类型”处选择变量类型：内存实型；单击“确定”即可。如图19图19同上述两种步骤，建立如下数据库：表2 组态王数据库变量名变量类型连接设备寄存器报警组描述速度滤波内存实型测量值AO_motorI/O实型PCI1711DA0输出值SpeedI/O实型PCI1711AD0转速SP_speed内存实型设定值画如下：图203.3画面组态3.3.1创建组态画面进入组态王开发系统后，就可以为每个工程建立数目不限的画面，在每个画面上生成互相关联的静态或

21、动态图形对象。这些画面都是由“组态王”提供的类型丰富得图形对象组成的。本项目主画面如图21所示图21 主画面3.2.2 动态画面链接定义动画连接是指在画面的图形对象与数据库的数据变量之间建立一种关系，当变量的值改变时，在画面上以图形对象的动画效果表现出来。为实现在画面中测量值，可作如下操作。双击测量值的“#”对象，可弹出“动画连接”对话框，选择“模拟值输出”，可弹出“模拟值输出连接”对话框，其中表达式选择“本站点速度滤波”，其设置如图22。图22创建模拟量输出可作如下操作：双击按钮“#转”，可弹出“动画连接”对话框，选择“模拟量输出”，在弹出“模拟值输出连接”对话框中变量名选择“”，其它设置如

22、下图23所示。图23关于“命令语言”设置如下：右击画面选择画面属性，再选择命令语言。在其中输入本站点速度滤波=本站点速度滤波*0.8+本站点speed*0.2;画面如图24 图24第四章 调试组态王工程已经建立起来，进入到运行和调试阶段。在组态王开发系统中选择“文件切换到 View”菜单命令，进入组态王运行系统。在运行系统中选择“画面打开”命令，从“打开画面”窗口选择“Test”画面。显示出组态王运行系统画面，如图25所示。 图25运行系统画面上图运行所设置的PID参数如下图26所示图26收获体会在为期两周的控制系统分析与综合的课程设计中，我们进一步熟悉了组态王软件的使用，并且用组态王实现了课设要求的控制功能。我们在书本上学到的知识，在这次课设中得到了系统化、架构化的理解，对于PLC电气控制理论和PI