单容水箱液位组态控制实验报告DOC

1、XIANUNIVERSITYOFPOSTS&TELECOMMUNICATIONS4单容水箱液位组态控制实验报告学院：自动化学院班级：学号：姓名:单容水箱液位组态实验目的：熟悉单容水箱液位调节阀PID控制系统工作原理熟悉单用户项目组态过程掌握WINCC画面组态设计方法掌握WINCC过程值归档的组态过程掌握WINCC消息系统的组态过程掌握WINCC报表系统的组态过程二：单容水箱实验原理1、实验结构介绍水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动

2、给定，或者AO模块直接输出电流。)调整水箱出口到一定的开度。突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型给位数学模型给。定值通过物料平衡推导出的公式：Q=k、H,Q=k卩Oi卩那么dH=1(kR-k4H)，dtF卩其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成RCdH+H=kRy。dt卩公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，R=玉叫就是水阻。k如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S函数表示:G(S)=。S(TS+1)相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的过程控制，金以慧编著。2、控制系

3、统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0调节阀FV101AO0AO03参考结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-2所示lOO.OrD90.0D80.0D70.0D60.0十一-_.XD40.0D30.0D20.0D10.0/(1r6,0.Q90)J.0.048)闸板开度7毫米(闸板顶到隔离板顶)调节阀46.5毫安，流量1.023立方/小时单容水箱液位飞升特性1.1.1.1.1.1.1.1DOO.O:1：252：55刈：255：557：25：55：25：55：25图4-2单容水箱液位飞升特性此时液位测量高度184.5mm，实际高度184.

4、5mm-3.5mm=181mm。实际开口面积5.5x49.5=272.25mm2。此时负载阀开度系数：k=QQH=6.68x10-4m2.5/s。勺max水槽横截面积：0.206m2。那么得到非线性微分方程为(标准量纲):：dH/dt=(0.000284-0.00066H)/0.206=0.00138-0.00324、H进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统G(s)二Ke-心/(Ts+1)。三对A3000的系统理解：A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及调压器)、以及半模拟屏，

5、从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整独立的现场环境。1、A3000特点现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计

6、更模块化，更安全、具有更大的扩展性。A3000-FS系统结构原理图如图2-1所示。220.001.131Pijmzss10.4012.78itiiEM,o3o300.0149.87-0.13下水箱Too大储水箱*箱温度220.001.131Pijmzss10.4012.78itiiEM,o3o300.0149.87-0.13下水箱Too大储水箱*箱温度11.041变频器pg动清错|设定频车锅炉图2-1A3000现场系统结构图现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。传感器和执行器系统包括5个温度

7、、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。2、现场系统面板左侧设置：0电源：220VAC单相电源开关，38OVAC三相电源开关。0开关：三个旋钮开关，分别是1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。0两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF（正转）控制开关

8、。注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。0电压表：显示加在调压器上的电压值。0变频器：对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。3、支路分析现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水

9、箱，还有一路流入换热器进行冷却。(1)支路1分析支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、JV106、XV101,关闭其它阀门(注意JV104),开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。锅炉内有高、低限两个液位开关,可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时,液位开关打开,加热器无法开启。当液位超过它时,液位开关合上,加热器信号连通,因此可以防止加热器干

10、烧。高限液位开关有两个作用：第一,当锅炉内水温超过温度上限时,通过联锁控制,打开2#电磁阀,注入冷水,使锅炉内温度快速下降；第二,当锅炉内水量超过液位上限时,高限液位开关闭合,通过联锁控制,关闭2#电磁阀,不再注入冷水。支路1上有一个工业用板式换热器,其冷、热水出口各有一个温度传感器,可以做热量转换实验。锅炉底部连接有滞后管系统。打开JV501、JV502，关闭JV503,锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。(2)支路2分析支路2包括右边的水泵，2#流量计，压力变送器，

11、电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱（各装一个压力变送器），可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。对于单容实验，我们配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。对于流

12、量控制实验，我们可以选择支路2，用电动调节阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路1流量固定（用涡轮流量计测量流量值），设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。四：实验内容及步骤1实验内容：基于A3000的单容水箱液位调节阀PID控制

13、单容下水箱液位PID控制流程图如图4-1所示。水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103,通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位有LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本实验运行的基本环境：本实验的重要的环境就是利用plc、wnc工业控制环境实现对于工业过程的检测与控制，另外充分利用Matlab强大的算法能力从而在PLC+WinCC+Math实现工业过程的先进控制实验。图4-1单容下水箱液位PID控制流程图本实验为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调

14、节来完成。控制测点清单如表4-1所示。表41单容下水箱液位调节阀PID单回路控制测点淸单序号位号或代号设备名称原始信号类型工題1FV101电动调节阀阀位控制210VDCAO0100%2LT103压力变送器下水箱液位420mADCAl2.5kPa2实验步骤：1组态画面（1）规划画面布局，插入图形对象或控件，并进行图形对象的静态属性设置，要求组态流程图画面如图4-2所示，在此基础上可进行优化画面设计。单容液位调节阀PID单回路控制UCA1QS羁节值:FTKH給定H汚手斷犒出直；1FM=iHidH=P102进入数据晝词UCA1QS羁节值:FTKH給定H汚手斷犒出直；1FM=iHidH=P102进入数

15、据晝词图图4-3实时曲线显示（替换为WinCC的实时数据的趋势控件）图4-5消息系统显示（替换为WinCC的报警控件）A3000是利用西门子PID单回路控制，上图为PID控制组态画面PID控制器参数整定首先，需要把准备好的数据组C,y）通过导入命令，导入时域数据；然后进行预处理包括Removetrend、Removemean等；第二，把经过预处理过的数据，进行系统辨识的“估计”选择Estaimate中“过程模型”命令进行估计（ProcessModel）。ProcessModel的模型结构包含增益K、极点个数选择（最多三阶）、零点选择（最多1个）、系统延迟环节选择。第三，把得到的模型参数进行记录

16、（二）PID控制器参数整定西门子PID公式LMN二GAIN*1LMN二GAIN*1TN*sTV*S1+TM_LAG*S*ERIMC-PID设计的标准公式11=K1+Ts*TscTSDTS+TsIF111F111FF过程模型内模PID控制器参数K1+1+ts-1cTSDTs+1IF西门子PID控制器参数K*k+1+TV*STI*s1+TM_LAG*SKTTPK=P,T=T；K=斤,TI=TTS+1ck九ipk九ppppkPID控制器：PID控制器：(t+0.50)(t+0.50)k=pK=p,pck(X+0.50)k(九+0.50)ppT=T+0.50TI二:t+0.501ppT-0T-0T=p

17、TV=pd2t+02t+0pp建议九0.80建议九0.80PI控制器：PI控制器：(t+0.50)(t+0.50)k=p；K=p;ck九k九ppT=T+0.50TI二:t+0.50；1pp建议九1.70建议九1.70二阶过程(T+t)K=(T+t)12Kkck1k九ppp(TS+1)(TS+1)12T=T+T-TI=:T+T-i1212，T-TT-TT=12-TV=12-DT+TT+T1212西门子PID公式LMN二GAIN*1LMN二GAIN*1+TV*STN*s1+TMLAG*SERIMC-PID设计的标准公式TTS2+TTTS2+TS+1Ts二K1Ts7*cS7-300控制系统是利用SI

18、MATICS7-200,S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。我们所采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。编程语言可以使用梯形图(LadderDiagram)、功能块图(FunctionBlockDiagram)、语句表(StatementList，也称指令表)。1、程序的一般结构S7-200CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。例如我们编写一个最简单的启动停止操作，这个程序是电力设备控制中最经典的“起保停”电路。下面是用指令表编写的单回路PID的程序示例：鼠标双击左边视图中的ProgramBlock

19、主程序MAIN，增击如下代码：LDSM0.1CALLSBR_0在菜单Viewstl或者ladder中选择一种方式。然后双击左边视图中的ProgramBlock的SBR_0。增加代码如下。TOC o 1-5 h zLDNI0.0LDI0.1OQ0.0ALD=Q0.0或者梯形图形式，如图2-20所示。图2-20梯形图可能梯形图是最直观的。描述的过程如下：停止按钮通过I0.0端口，求反后一直是连通的，而10.1是启动按钮，Q0.0接控制输出，平时关闭，当10.1是1时，则Q0.0=1,启动设备。当按钮I0.1放开时，由于并联了Q0.0,所以起到保持的作用，保持Q0.0=1。直到I0.0被按下，则Q0

20、.0=0，设备停止。这就是所谓的“起保停”电路。2、模拟采集量转换S7-200测量模拟量时可以设置为0-20毫安,不能设置成标准信号4-20毫安,一个工程量可以是0-100C，也可以是0-25厘米水柱。如果求温度，那么转换公式就是：当前温度=100*（测量数-6400）/25600当然也可以有其他的计算公式。PID运算时需要的是0-1之间的实数，那么不需要乘以100，而且需要把测量的得到的整数转换成双整数，然后再转换成实数再运行。同样对于PID的输出也要转换成整型数据。范例代码如下：LDSM0.0MOVR#IN,AC0*R25600.0,AC0ROUNDAC0,AC0DTIAC0,AC0+I+

21、6400,AC0MOVWAC0,#OUT五安全机制Wince组态软件提供了一套完善的安全机制，用户能够自由组态控制菜单、按钮和退出系统的操作权限，只允许有操作权限的操作员才能对某些功能进行操作oWince还提供了工程密码、锁定软件狗、工程运行期限等功能，来保护用Wince组态软件进行开发所得的成果，开发者可利用这些功能保护自己的合法权益。离线和在线调试Wince变量模拟器提供6种不同的函数来支持项目工程师。采用这些函数，可以给已组态的对象提供实际值。为了支持不同情况的测试，模拟器具有6种函数。每个独立的变量都可以分配给这6个函数中的一个。正弦：作为非线性周期性函数。振动：模拟控制输入中的跳转。

22、随机：随机函数传递随机产生的数值。自增：一旦它达到最大值，自增计数器以其最小值重启动。自减：一旦它达到最小值，自减计数器以其最大值重启动。滚动条：用户可以用来设置固定值的滚动条。1、模拟器的安装启动安装在安装WinCC期间选择“自定义”。“组件”对话框将打开。在左边窗口中，单击“智能工具”组件。在右边窗口中选择“简易语言”。单击“下一步”按钮。按对话框中的指令进行。如图2.2.19所示启动模拟器DAEilJNToolsWinRAEKommiinika.ti皿Konfigur日torFrojmetHigi_:mtorCh：aiLTLelIIiagnosisScope爺WinCCQS7-200Ex

23、plorerVI.0.3.8竇WindoweControlCenter6.0_JAutostartImTools拼音加加HF瑞星杀毒软件组态王&51，二一键GHOSTFinePrintASEAifll试管理和自动评分系统腾讯软件ij?8MicroecftSQLServer-TagsNameFunctionConditionValueWhenUAdobeReader7.0腾讯QQ2006显TP版MicrosoftOfficeFowerFoint2003WindowsControl6.0MicrosoftOffice2003詢巔四nlndowEUpdatDAEilJNToolsWinRAEKomm

24、iinika.ti皿Konfigur日torFrojmetHigi_:mtorCh：aiLTLelIIiagnosisScope爺WinCCQS7-200ExplorerVI.0.3.8竇WindoweControlCenter6.0_JAutostartImTools拼音加加HF瑞星杀毒软件组态王&51，二一键GHOSTFinePrintASEAifll试管理和自动评分系统腾讯软件ij?8MicroecftSQLServer-TagsNameFunctionConditionValueWhenUAdobeReader7.0腾讯QQ2006显TP版MicrosoftOfficeFowerFoi

25、nt2003WindowsControl6.0MicrosoftOffice2003詢巔四nlndowEUpdat己匚“设定程序访问和默认值启动n1ndo,i|i,eMediaFlayerWirLdoweMessenger远程协助pdfFmtztoryFro住inRAR腾讯QQ2006版AdobeReader7.0DAEMONTools金山词肅2006WhenUSe-chati*!1inCCInform：mticmSystemSimulationforWmCCPropertiesSYWinCC60_Project_zzzzz.MCPWinCCRuntimeProjectdeactivatlCy

26、cleTimeinms:CycleTime图2.2.19启动模拟器2、如图2.2.20所示添加并启动模拟器OscillationPeriod(xCycleTimePropertiesISimulationFileEditHelp指定模拟函数类型并激活ListofTag$Properties口旦区）SiulationFileEditHelpTagSimulationforWinCCWinCC-ProjectOscillation插人要模拟变量数据源:过滤器：3名称确定AmplitudeZeroPoint-WinCC-ProjectSYWinCC60_Proiect_z222zz.MCPWinCC

27、RuntimeProjectactivated!CycleTimeinms:NameFIDSP图2.2.20添加并启动模拟器(St：=LTLd：ii-dforWinCCMFIUnit)Adapter(MFIjFoiiitoftheApplicati(WinCC)FCOKOscillationPeriod(xCycleTimePropertiesISimulationFileEditHelp指定模拟函数类型并激活ListofTag$Properties口旦区）SiulationFileEditHelpTagSimulationforWinCCWinCC-ProjectOscillation插人要

28、模拟变量数据源:过滤器：3名称确定AmplitudeZeroPoint-WinCC-ProjectSYWinCC60_Proiect_z222zz.MCPWinCCRuntimeProjectactivated!CycleTimeinms:NameFIDSP图2.2.20添加并启动模拟器(St：=LTLd：ii-dforWinCCMFIUnit)Adapter(MFIjFoiiitoftheApplicati(WinCC)FCOKC：rLcelHelp图2.2.21设置网络JIIJ4yFHI-M-M-p-F-s.日齒WmCC变量EL全部变量列表g内部变量ELSIMATICSTPROTOCOL5

29、0HIndustrialEtherrua-BIndustrialEtheriu-.MFI由弋总UewConnectionHHNamedConnectionsQPROFIBUSTagSimulationforWinCCIIIIIIIFFFFFFFSIMATICWorkEtatio:lIFCAdapter(Auto)專FCAdapter(JflFI)專FCAdapter(FROFIBUS)HS5FC/FFIcable(FFI)芒Li1aj(P：=Lf：=jTieterassignirientofyoiorFCadsLpteirfor：=ulMFInetwork)3、如图2.2.21所示，如果接口参数指定为左图所示，则进入离线调试。如果接口参数指定为右图，并且与已正确运行的控制器相连，变量地址设置正确，则进入在线调试。六）报警设定报警记录由组态和运行系统组件组成：报警记录是消息系统