基于PLC的液位控制系统设计PPT

2023年7月16日1基于PLC的液位控制系统设计

本文设计的主要目的是控制下水箱的液位。使下水箱的液位在某一比较小的范围变化。研究对象是双容水箱的串级系统。液位控制系统的组成：控制器电动调节阀上水箱、下水箱液位变送器等电动调节阀用于调节上水箱的进水量大小，液位变送器用于检测上水箱和下水箱的液位。控制器的输出量用于控制调节阀的开度。2023年7月16日2基于PLC的液位控制系统设计

串级控制系统

水箱的液位变化范围是O-100mm，要求设计合适的控制器，能使被控对象下水箱的液位快、准、稳的稳定在所给的液位值上，稳态误差不超过2.5mm。当系统发生扰动时，被控液位能快速恢复到原来所给定的液位值。液位控制系统组成2023年7月16日3基于PLC的液位控制系统设计被控对象的数学模型：将Q1作为被控过程的输入变量，h为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有：

建立数学模型2023年7月16日4基于PLC的液位控制系统设计表示为增量形式：

式中：ΔQ1，ΔQ2，Δh分别为偏离某一平衡状态的增量；A为水箱截面积。在平衡时，Q1=Q2，；当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀V2的阻力R成反比，即式中：R为阀V2的阻力，称为液阻。2023年7月16日5基于PLC的液位控制系统设计2023年7月16日6基于PLC的液位控制系统设计2023年7月16日7基于PLC的液位控制系统设计整定PID控制器参数比例环节Kp：比例系数Kp的作用在于加快系统的响应速度，提高系统调节精度。积分环节Ki：有利于消除系统的静差。Ki为了保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪。只要存在偏差，则它的控制作用就会不断增加。只有在偏差e(t)=0时，积分值变成常数，控制输出才是一个常数。微分环节Kd：Kd是为了改善闭环系统的稳定性和动态响应的速度。在系统中引入一个有效的早期信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。微分部分的作用强弱由微分时间常数T决定。T越大，则它抑制e(t)变化的作用越强；T越小，则它反抗e(t)变化的作用越弱。采样周期：采样周期取的小一些，这样接近于连续控制，不仅控制效果好，而且可采用模拟PID控制参数的整定方法。

2023年7月16日8基于PLC的液位控制系统设计2023年7月16日9基于PLC的液位控制系统设计2023年7月16日10基于PLC的液位控制系统设计PID控制系统的仿真

在Simulink中搭建如图所示的双闭环常规PID液位控制系统的仿真图形，双闭环的被控对象就是上面所建立的模型。在内环加一个饱和特性，因为内环是由调节阀输出到上水箱的，由于调节阀的最大开度是100，在实验时当阀门达到100以后，即使前面在有大的输入，阀门的开度仍然限制在100，因此在做仿真实验时也要对其进行限制，以做到尽可能的做到符合实际情况。所以加了一个饱和特性，上限是100，下限是0。

常规PID控制系统仿真图

2023年7月16日11基于PLC的液位控制系统设计通过不断的对参数的调试，选择得到如下的合理参数：Kp=0.45，Ki=0.0029，Kd=3；内环比例系数K=5。运行后，得到响应曲线如图所示。

系统运行液位曲线

Kp=0.45Ki=0.0029Kd=3由图可知，超调约为5.42%，在2%误差带的调节时间约为455s，稳态误差约为0.21cm。2023年7月16日12基于PLC的液位控制系统设计

计算机液位控制系统电路图如图所示。在本控制系统中、用计算机实现控制算法，PLC控制系统带有A/D模块SM331和D/A模块SM332。电动调节阀作为执行机构。液位控制系统的硬件组成

控制系统硬件电路连接图2023年7月16日13基于PLC的液位控制系统设计计算机：本设计中，计算机用来运行STEP7编写的程序，运行组态王监控软件。PLC：采用德国西门子公司生产的SIMATICS7-200。PLC带有A/D接口模块SM331和D/A接口模块SM332，能将接收到的模拟量信号转化为数字量的信号；将处理完的数字量信号转化为模拟量信号提供给电动调节阀，控制输出。液位变送器：采用液位变送器

BP800采用工业用的扩散硅压力变送器，含不绣钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。压力传感器用来对上水箱和下水箱的液位进行检测，变送器为二线制，故工作时需串接24VDC电源。电动调节阀：采用智能型电动调节阀，用来进行控制回路流量的调节。。电动调节阀号为：QSVP-16K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，控制信号为4—20mADC或1—5VDC，输出4—2OmADC的阀位信号，使用和校正非常方便。

2023年7月16日14基于PLC的液位控制系统设计按照系统总体设计要求和系统实际情况，利用STEP7编写控制程序。图为系统接线原理图系统接线原理图2023年7月16日15基于PLC的液位控制系统设计控制程序流程图：2023年7月16日16基于PLC的液位控制系统设计控制算法的实现对于PID控制，主调节采用增量式PID控制，副调节器采用比例控制。主模块OBI实现对子程序块FC1子程序块调用。FC1实现PID控制，FC2实现副回路比例控制。DBI作为子程序的背景数据块，存放参数地址。部分程序：OB1：主、副环反馈模拟量输入

LPIW256TMW0LMW0TDB1.DBW0LPIW258TMW2LMW2TDB1.DBW2﹒﹒﹒﹒﹒﹒2023年7月16日17基于PLC的液位控制系统设计FC1：CALLFC1，DB1﹒﹒