單容水箱自衡控制設(shè)計(jì)(修改版)

1、課程設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū) 題 目：?jiǎn)稳菟渥院饪刂普n程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 13級(jí)自動(dòng)化班 姓 名： 譚先科 彭翼 學(xué) 號(hào)：14132100956 2016年 6月8日摘要本文根據(jù)液位系統(tǒng)過(guò)程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。在設(shè)計(jì)中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識(shí)較少。并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過(guò)整定PID參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。 本文的主要內(nèi)容包括：PLC的產(chǎn)生和定義、過(guò)程控制的發(fā)展、水箱的特性確定與實(shí)驗(yàn)曲線分析， FX2系列可編

2、程控制器的硬件掌握，PID參數(shù)的整定及各個(gè)參數(shù)的控制性能的比較，應(yīng)用PID控制算法所得到的實(shí)驗(yàn)曲線分析，整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)部分的介紹和講解PLC的過(guò)程控制指令PID指令來(lái)控制水箱水位。 PLC在工業(yè)自動(dòng)化中應(yīng)用的十分廣泛。PID控制經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，已經(jīng)成為工業(yè)中重要的控制手段。本設(shè)計(jì)就是基于PLC的PID算法對(duì)液位進(jìn)行控制。PLC經(jīng)傳感電路進(jìn)行液位高度的采集，然后經(jīng)過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式來(lái)確定完P(guān)ID參數(shù)后，通過(guò)控制直流泵的工作時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)液位的控制。MCGS(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是用于快速構(gòu)造上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)就是通過(guò)MCGS來(lái)設(shè)計(jì)的。這樣我們就可以通過(guò)組態(tài)畫(huà)面對(duì)液位高度和泵的

3、起停情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且可以對(duì)PLC進(jìn)行啟動(dòng)、停止、液位高度設(shè)置等控制。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、簡(jiǎn)單實(shí)用，MCGS與PLC通信流暢。 關(guān)鍵詞：PID算法，MCGS，液位控制 目 錄第一章 緒論1 1.1 選題依據(jù).1 1.2 控制方法的選用.1 1.3 課程設(shè)計(jì)要求分析.3 1.4 論文主要完成工作.4第二章 硬件部分.5 2.1 硬件部分整體設(shè)計(jì).5 2.2 單容水箱自衡過(guò)程的建模.5 2.3 硬件部分介紹.8第三章 軟件部分.15 3.1 軟件整體設(shè)計(jì).15 3.2 軟件流程圖設(shè)計(jì).17 3.3 設(shè)備安裝與連接.18 3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖.21第4章 總結(jié).22 4.1 收獲感言.22 4.2 P

4、LC梯形圖設(shè)計(jì)及說(shuō)明.22參考文獻(xiàn).25附錄.252第一章 緒論1.1選題依據(jù)針對(duì)某廠的液位控制過(guò)程與要求實(shí)現(xiàn)模擬控制，其工藝過(guò)程如下：用泵作為原動(dòng)力，把水從低液位池抽到高液位池，實(shí)現(xiàn)對(duì)高液位池液位高度的自動(dòng)控制。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)單容水箱液位高度的定值控制，同時(shí)利用MCGS組態(tài)軟件建立單容水箱液位控制系統(tǒng)的監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。1.2 控制方法的選用工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主

5、要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。1.2.1比例（P）控制及調(diào)節(jié)過(guò)程比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-state error）。在人工調(diào)節(jié)的

6、實(shí)踐中，如果能使閥門的開(kāi)度與被調(diào)參數(shù)偏差成比例的話，就有可能使輸出量等于輸入量，從而使被調(diào)參數(shù)趨于穩(wěn)定，達(dá)到平衡狀態(tài)。這種閥門開(kāi)度與被調(diào)參數(shù)的偏差成比例的調(diào)節(jié)規(guī)律，稱為比例調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)規(guī)律及其特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)作用，一般用字母P來(lái)表示。如果用一個(gè)數(shù)學(xué)式來(lái)表示比例調(diào)節(jié)作用，可寫(xiě)成： （1-1）式中 調(diào)節(jié)器的輸出變化值； 調(diào)節(jié)器的輸入，即偏差； 比例調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)。放大倍數(shù)是可調(diào)的，所以比例調(diào)節(jié)器實(shí)際上是一個(gè)放大倍數(shù)可調(diào)的放大器。比例調(diào)節(jié)作用雖然及時(shí)、作用強(qiáng)，但是有余差存在，被調(diào)參數(shù)不能完全回復(fù)到給定值，調(diào)節(jié)精度不高，所以有時(shí)稱比例調(diào)節(jié)為“粗調(diào)”。純比例調(diào)節(jié)只能用于干擾較小、滯后較小，而時(shí)間常數(shù)又不

7、太小的對(duì)象。1.2.2積分（I）控制及調(diào)節(jié)過(guò)程在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡(jiǎn)稱有差系統(tǒng)（System with Steady-state Error）。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”。積分項(xiàng)對(duì)誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。對(duì)于工藝條件要求較高余差不允許存在的情況下，比例作用調(diào)

8、節(jié)器不能滿足要求了，克服余差的辦法是引入積分調(diào)節(jié)。因?yàn)閱渭兊姆e分作用使過(guò)程緩慢，并帶來(lái)一定程度的振蕩，所以積分調(diào)節(jié)很少單獨(dú)使用，一般都和比例作用組合在一起，構(gòu)成比例積分調(diào)節(jié)器，簡(jiǎn)稱PI調(diào)節(jié)器，其作用特性可用下式表示： （1-2）這里，表示PI調(diào)節(jié)作用的參數(shù)有兩個(gè)：比例度P和積分時(shí)間。而且比例度不僅影響比例部分，也影響積分部分，使總的輸出既具有調(diào)節(jié)及時(shí)、克服偏差有力的特點(diǎn)，又具有克服余差的性能。由于它是在比例調(diào)節(jié)（粗調(diào)）的基礎(chǔ)上，有加上一個(gè)積分調(diào)節(jié)（細(xì)調(diào)），所以又稱再調(diào)調(diào)節(jié)或重定調(diào)節(jié)。但是，積分時(shí)間太小，積分作用就太強(qiáng)，過(guò)程振蕩劇烈，穩(wěn)定程度低；積分時(shí)間太大，積分作用不明顯，余差消除就很慢。如果

9、把積分時(shí)間放到最大，PI調(diào)節(jié)器就喪失了積分作用，成了一個(gè)純比例調(diào)節(jié)器。1.2.3微分（D）控制及調(diào)節(jié)過(guò)程在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。 自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性組件（環(huán)節(jié)）或有滯后（delay）組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說(shuō)，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)”，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的

10、控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對(duì)有較大慣性或滯后的被控對(duì)象，比例+微分（PD）控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。微分調(diào)節(jié)的作用主要是用來(lái)克服被調(diào)參數(shù)的容量滯后。在生產(chǎn)實(shí)際中，有經(jīng)驗(yàn)的工人總是既根據(jù)偏差的大小來(lái)改變閥門的開(kāi)度大小（比例作用），同時(shí)又根據(jù)偏差變化速度的大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。比如當(dāng)看到偏差變化很大時(shí)，就估計(jì)到即將出現(xiàn)很大的偏差而過(guò)量地打開(kāi)（關(guān)閉）調(diào)節(jié)閥，以克服這個(gè)預(yù)計(jì)的偏差，這種根據(jù)偏差變化速度提前采取的行動(dòng)，意味著有“超前”作用，因而能比較有效地改善容量滯后比較大的調(diào)節(jié)對(duì)象的調(diào)節(jié)質(zhì)量。什么是微分調(diào)節(jié)？微分調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)器的輸出

11、變化與偏差變化速度成正比，可用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為： （1-3）式中： 調(diào)節(jié)器的輸出變化值；微分時(shí)間；偏差信號(hào)變化的速度。從上式可知，偏差變化的速度越大，微分時(shí)間越長(zhǎng)，則調(diào)節(jié)器的輸出變化就越大。對(duì)于一個(gè)固定不變的偏差，不管其有多大，微分做用的輸出總是零，這是微分作用的特點(diǎn)。 由于實(shí)際微分器的比例度不能改變，固定為100%，微分作用也只在參數(shù)變化時(shí)才出現(xiàn)，所以實(shí)際微分器也不能單獨(dú)使用。一般都是和其它調(diào)節(jié)作用相配合，構(gòu)成比例微分或比例積分微分調(diào)節(jié)器。 比例積分微分調(diào)節(jié)又稱PID調(diào)節(jié)，它可由下式表示：PID調(diào)節(jié)中，有三個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，就是比例度P、積分時(shí)間、微分時(shí)間。適當(dāng)選取這三個(gè)參數(shù)值，就可以獲得良好的調(diào)

12、節(jié)質(zhì)量。由分析可知，PID三作用調(diào)節(jié)質(zhì)量最好，PI調(diào)節(jié)第二，PD調(diào)節(jié)有余差。純比例調(diào)節(jié)雖然動(dòng)偏差比PI調(diào)節(jié)小，但余差大，而純積分調(diào)節(jié)質(zhì)量最差，所以一般不單獨(dú)使用。1.3 課程設(shè)計(jì)要求分析（1）以RTGK-2型過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置中的單個(gè)水箱作為被控對(duì)象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測(cè)元件、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器構(gòu)成一個(gè)單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的恒值控制。（2）PLC控制器采用PID算法，各項(xiàng)控制性能滿足要求：超調(diào)量15%，穩(wěn)態(tài)誤差±0.1；調(diào)節(jié)時(shí)間ts60s；（3）組態(tài)測(cè)控界面上，實(shí)時(shí)設(shè)定并顯示液位給定值、測(cè)量值及控制器輸出值；實(shí)時(shí)顯示液位給定值實(shí)時(shí)曲線、液位測(cè)量值實(shí)

13、時(shí)曲線和PID輸出值實(shí)時(shí)曲線；并能顯示歷史曲線。（4）選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測(cè)控界面上實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)；（5）通過(guò)S7-200PLC編程軟件Step7實(shí)現(xiàn)PLC程序設(shè)計(jì)與調(diào)試；（6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應(yīng)的結(jié)論；1.4論文主要完成工作 本文根據(jù)液位系統(tǒng)過(guò)程機(jī)理，建立了單容水箱的數(shù)學(xué)模型。在設(shè)計(jì)中用到的PID算法提到得較多，PLC方面的知識(shí)較少。并根據(jù)算法的比較選擇了增量式PID算法。建立了PID液位控制模擬界面和算法程序，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，并通過(guò)整定PID參數(shù)，同時(shí)得出了整定后的仿真曲線和實(shí)際曲線。第2章 硬件部分 2.1 硬件部分整體設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和方框

14、圖如圖2-1所示。被控量為中水箱的液位高度，要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器LT2檢測(cè)到的中水箱液位信號(hào)作為反饋信號(hào)，在與給定量比較后的差值通過(guò)調(diào)節(jié)器控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，以達(dá)到控制中水箱液位的目的。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動(dòng)作用下的無(wú)靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。圖2-1單容自衡水箱對(duì)象特性測(cè)試系統(tǒng)2.2 單容水箱自衡過(guò)程的建模所謂單容過(guò)程，是指只有一個(gè)貯蓄容量的過(guò)程。單容過(guò)程還可分為有自衡能力和無(wú)自衡能力兩類。所謂自衡過(guò)程，是指過(guò)程在擾動(dòng)作用下，其平衡狀態(tài)被破壞后，不需要操作人員或儀表等干預(yù)，依靠起自身重新恢復(fù)平衡的過(guò)程。液位過(guò)程，圖2.1所示為一個(gè)單容液位被

15、控過(guò)程，其流入量，改變閥1的開(kāi)度可以改變的大小。其流出量為，它取決于用戶的需要改變閥2開(kāi)度可以改變。液位h的變化反映了與不等而引起貯罐中蓄水或泄水的過(guò)程.若作為被控過(guò)程的輸入變量,h為其輸出變量,則該被控過(guò)程的數(shù)學(xué)模型就是h與之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。1h12（a）Xhtt00圖2.1液位被控過(guò)程及其階躍響應(yīng)根據(jù)動(dòng)態(tài)物料平衡關(guān)系有 （2-1）將公式（2-1）表示成增量式為 （2-2）式中： 、分別表示為偏離某一平衡狀態(tài)、的增量；A貯蓄截面積。在靜態(tài)時(shí)，；當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，液位h隨之變化，貯蓄出口處的靜壓隨之變化，也發(fā)生變化。由流體力學(xué)可知，流體在紊流情況下，液位h與流量之間為非線形關(guān)系。但為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，經(jīng)

16、線形變化，則可近似認(rèn)為與h成正比關(guān)系，而與閥2的阻力成反比，即 （2-3）式中：閥2的阻力，稱為液阻。為了求單容過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，需消去中間變量。消去中間變量的方法很多，如可用代數(shù)代換法，可用信號(hào)流圖法，也可用畫(huà)方框圖的方法。這里，介紹后一種方法。將式（2-2）、式（2-3）拉氏變換后,畫(huà)出圖2.2方框圖。 圖2.2方框圖單容液位過(guò)程的傳遞函數(shù)為 （2-4）式中：過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，；過(guò)程的放大系數(shù)，； C過(guò)程的容量系數(shù)，或稱過(guò)程容量。被控過(guò)程都具有一定貯存物料或能量的能力，其貯存能力的大小，稱為容量或容量系數(shù)。其物理意義:是：引起單位被控量變化時(shí)被控過(guò)程貯存兩變化的大小。圖2.1（b）所示為單容液

17、位被控過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線。從上述分析可知，液阻不但影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，而且還影響過(guò)程的放大系數(shù)，而容量系數(shù)C僅影響過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，過(guò)程的純時(shí)延問(wèn)題是經(jīng)常碰到的。如皮帶運(yùn)輸機(jī)的物料傳輸過(guò)程，管道輸送、管道反應(yīng)和管道的混合過(guò)程等。下面以圖2.3為例討論純時(shí)延過(guò)程的建模。 圖2-3純時(shí)延單容過(guò)程及其響應(yīng)曲線圖2-3所示，流量通過(guò)長(zhǎng)度為l的管道流入貯罐。當(dāng)進(jìn)水閥開(kāi)度產(chǎn)生擾動(dòng)后，需要流經(jīng)管道長(zhǎng)度為l的傳輸時(shí)間后才流入貯罐，才使液位h發(fā)生變化。具有純時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線如圖2.3曲線2所示，它與無(wú)時(shí)延單容過(guò)程的階躍響應(yīng)曲線在形狀上完全相同，僅差一純時(shí)延。具有純時(shí)延單容過(guò)程的微分方程

18、和傳遞函數(shù)為 （2-5）式中：過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，； 過(guò)程的放大系數(shù)，； 過(guò)程的純時(shí)延時(shí)間。2.3 硬件部分介紹 本次試驗(yàn)主要采用“THJDS-1A型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”“THJDS-1A型過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)”是由對(duì)象系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)、S7-200PLC控制系統(tǒng)、智能儀表及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和上位監(jiān)控PC機(jī)四部分組成。本裝置是專門為高等院校、職業(yè)院校開(kāi)設(shè)的自動(dòng)化、過(guò)程控制裝置及自動(dòng)化、自動(dòng)控制等專業(yè)而研制的，可滿足各大高校所開(kāi)設(shè)的傳感器檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)、過(guò)程控制、自動(dòng)化儀表和PLC可編程控制等課程實(shí)訓(xùn)的教學(xué)要求。裝置選用當(dāng)前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的典型的被控對(duì)象、被控參量和控制流程，可開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)儀表的調(diào)校、被控對(duì)

19、象流程的組建、控制系統(tǒng)線路連接、控制算法及組態(tài)軟件的編程以及控制系統(tǒng)的分析等工作任務(wù)，適合職業(yè)學(xué)校、本科院校的技能訓(xùn)練和研究。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的被控參數(shù)非常全面，涵蓋了連續(xù)性工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的液位、壓力、流量和溫度等典型參數(shù)。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有多樣化的控制參數(shù)和控制方案，通過(guò)不同被控參數(shù)、動(dòng)力源、控制器、執(zhí)行器及工藝管路的組合可構(gòu)成幾十種過(guò)程控制系統(tǒng)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。各種控制算法和調(diào)節(jié)規(guī)律在開(kāi)放的實(shí)訓(xùn)軟件平臺(tái)上都可以實(shí)現(xiàn)。實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)和圖表在上位機(jī)軟件系統(tǒng)中很容易存儲(chǔ)和調(diào)用，以便實(shí)訓(xùn)者進(jìn)行實(shí)訓(xùn)后的比較和分析。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)具有三種控制方式，分別是AI智能儀表控制、S7-200PLC控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊控制。2.3.1 被控對(duì)

20、象由不銹鋼儲(chǔ)水箱、（上、中、下）三個(gè)串接有機(jī)玻璃水箱、3KW三相電加熱模擬鍋爐(由不銹鋼鍋爐內(nèi)膽加溫筒和封閉式鍋爐夾套構(gòu)成)、盤管和敷塑不銹鋼管道等組成。（1） 水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲(chǔ)水箱。上、中、下水箱采用淡藍(lán)色優(yōu)質(zhì)有機(jī)玻璃，不但堅(jiān)實(shí)耐用，而且透明度高，便于學(xué)生直接觀察液位的變化和記錄結(jié)果。上、中水箱尺寸均為：D=25cm，H=20cm；下水箱尺寸為：D=35cm，H=20cm。水箱結(jié)構(gòu)獨(dú)特，由三個(gè)槽組成，分別為緩沖槽、工作槽和出水槽，進(jìn)水時(shí)水管的水先流入緩沖槽，出水時(shí)工作槽的水經(jīng)過(guò)帶燕尾槽的隔板流入出水槽，這樣經(jīng)過(guò)緩沖和線性化的處理，工作槽的液位較為穩(wěn)定，便于觀察。水箱底部均

21、接有擴(kuò)散硅壓力傳感器與變送器，可對(duì)水箱的壓力和液位進(jìn)行檢測(cè)和變送。同時(shí)，結(jié)合行業(yè)和產(chǎn)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的對(duì)象，在上水箱和中水箱的出水口均增加了電動(dòng)球閥和流量計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)水箱出水流量的自動(dòng)控制。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統(tǒng)和雙閉環(huán)、三閉環(huán)液位串級(jí)控制系統(tǒng)。儲(chǔ)水箱由不銹鋼板制成，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=68cm×52×43，完全能滿足上、中、下水箱實(shí)訓(xùn)供水需要。儲(chǔ)水箱內(nèi)部有兩個(gè)橢圓形塑料過(guò)濾網(wǎng)罩，以防雜物進(jìn)入水泵和管道。（2） 管道及閥門：整個(gè)系統(tǒng)管道由敷塑不銹鋼管連接而成，所有的手動(dòng)閥門均采用優(yōu)質(zhì)球閥，徹底避免了管道系統(tǒng)生銹的可能性。

22、有效提高了實(shí)訓(xùn)裝置的使用年限。其中儲(chǔ)水箱底部有一個(gè)出水閥，當(dāng)水箱需要更換水時(shí)，把球閥打開(kāi)將水直接排出。2.3.2檢測(cè)裝置（1）壓力傳感器、變送器：三個(gè)壓力傳感器分別用來(lái)對(duì)上、中、下三個(gè)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè)，其中三只采用工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器，帶不銹鋼隔離膜片，同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù)，對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。采用標(biāo)準(zhǔn)二線制傳輸方式，工作時(shí)需提供24V直流電源，輸出：420mADC。其量程為05KP，精度為0.5級(jí)。（2）流量傳感器、變送器：采用3臺(tái)渦輪流量計(jì)。渦輪流量計(jì)的傳感器部分為渦輪結(jié)構(gòu)，是一種速度式檢測(cè)儀表，用于檢測(cè)水流量的大小，當(dāng)流量很小時(shí)其精度也不會(huì)降低。變送器為直流24V供電、420

23、mA變送輸出、標(biāo)準(zhǔn)兩線制接線、精度1.0級(jí)，是高精度型傳感器、變送器一體式結(jié)構(gòu)的流量檢測(cè)裝置，用來(lái)對(duì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量、變頻泵支路流量及盤管出口流量進(jìn)行檢測(cè)。2.3.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥：采用智能直行程電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，用來(lái)對(duì)控制回路的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥型號(hào)為：QSVP-16K。具有精度高、技術(shù)先進(jìn)、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、功能強(qiáng)、控制單元與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，電源為單相220V，控制信號(hào)為420mADC或15VDC，輸出為420mADC的閥位信號(hào)，使用和校正非常方便。（2）水泵：本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵，型號(hào)為16CQ-8P，流量為30升/分，揚(yáng)程為8米，功率為

24、180W。本裝置采用兩只磁力驅(qū)動(dòng)泵,一只為三相380V恒壓驅(qū)動(dòng)，另一只為三相變頻220V輸出驅(qū)動(dòng)。（3）電磁閥：在本裝置中作為電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路，起到階躍干擾的作用。工作壓力：最小壓力為0MPa，最大壓力為1.0MPa ；工作溫度：580；工作電壓：AC220V。2.3.4過(guò)程控制系統(tǒng)“THJDS-1A型過(guò)程控制系統(tǒng)”主要由電源控制、智能儀表控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集模塊控制系統(tǒng)、調(diào)壓器及變頻控制、電氣控制輔助和信號(hào)轉(zhuǎn)接端子組件等幾部分組成。電源控制組件（1）總電源控制指示面板總電源控制指示面板如圖2-4所示。合上總電源空氣開(kāi)關(guān)和三相電源空氣開(kāi)關(guān)，此時(shí)三相電源各相指示燈亮，指示各相電壓接

25、通。圖2-4總電源控制指示面板（2）電控旋鈕開(kāi)關(guān)面板該面板的作用主要是通過(guò)面板上的各個(gè)旋鈕開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制各個(gè)動(dòng)力設(shè)備、執(zhí)行器、控制系統(tǒng)。圖2-5 電控旋鈕開(kāi)關(guān)面板注意：連接實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)時(shí)，一定要確?？諝忾_(kāi)關(guān)打關(guān)的狀態(tài)，各旋鈕開(kāi)關(guān)也旋在關(guān)的位置。S7-200PLC控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)主要包括主機(jī)CPU224、EM235四入一出模擬量輸入/輸出模塊。S7-200PLC控制系統(tǒng)如圖2-6所示。圖2-6 S7-200PLC控制系統(tǒng)S7-200PLC主機(jī)CPU224圖2-7 S7-200PLC主機(jī)CPU224S7-200PLC主機(jī)CPU224與PC的連接如圖2-8所示。圖2-8 S7-200PLC主機(jī)CP

26、U224和PC連接 S7-200PLC主機(jī)CPU224的接線如圖2-9所示。圖2-9 S7-200PLC主機(jī)CPU224接線電氣控制電氣控制輔助組件如圖2-10所示，主要由電源輸出端子排、液位繼電器、交流接觸器、執(zhí)行器電源輸入端子排、信號(hào)輸入輸出端子排等組成。圖2-10 液位繼電器和交流接觸器執(zhí)行器的電源輸入端子如圖2-11所示。圖2-11 執(zhí)行器電源輸入端子執(zhí)行器的電源輸入端子說(shuō)明如圖2-12所示。圖2-12 執(zhí)行器電源輸入端子說(shuō)明信號(hào)的輸入輸出端子如圖2-13所示。圖2-13 信號(hào)輸入輸出端子信號(hào)的輸入輸出端子說(shuō)明如圖2-14所示。圖2-14 信號(hào)輸入輸出端子說(shuō)明第3章 軟件部分3.1軟件

27、整體設(shè)計(jì)（1）MCGS組態(tài)軟件本裝置中三種控制方案均采用了北京昆侖公司的MCGS組態(tài)軟件作為上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)軟件。MCGS（Monitor and Control Generated System）是一套基于Windows平臺(tái)的，用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，可運(yùn)行于Microsoft Windows操作系統(tǒng)。MCGS具有操作簡(jiǎn)便、可視性好、可維護(hù)性強(qiáng)、高性能、高可靠性等突出特點(diǎn)，已成功應(yīng)用于石油化工、鋼鐵行業(yè)、電力系統(tǒng)、水處理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)械制造、交通運(yùn)輸、能源原材料、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、航空航天等領(lǐng)域，經(jīng)過(guò)各種現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。 MCGS 5.5為用戶提供了解決實(shí)際

28、工程問(wèn)題的完整方案和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫(huà)顯示、趨勢(shì)曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能。MCGS 5.5軟件系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。組態(tài)環(huán)境相當(dāng)于一套完整的工具軟件，幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境則按照組態(tài)環(huán)境中構(gòu)造的組態(tài)工程，以用戶指定的方式運(yùn)行，并進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。MCGS組態(tài)軟件（以下簡(jiǎn)稱MCGS）由“MCGS組態(tài)環(huán)境”和“MCGS運(yùn)行環(huán)境”兩個(gè)系統(tǒng)組成。兩部分互相獨(dú)立，又緊密相關(guān)。圖3-1 MCGS組態(tài)軟件系統(tǒng)組成MCGS組態(tài)環(huán)境是生成用戶應(yīng)用系統(tǒng)的工作環(huán)境，由可執(zhí)行程序Mc

29、gsSet.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。用戶在MCGS組態(tài)環(huán)境中完成動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)、設(shè)備連接、編寫(xiě)控制流程、編制工程打印報(bào)表等全部組態(tài)工作后，生成擴(kuò)展名為.mcg的工程文件，又稱為組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)，其與MCGS 運(yùn)行環(huán)境一起，構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)，統(tǒng)稱為“工程” 。MCGS運(yùn)行環(huán)境是用戶應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，由可執(zhí)行程序McgsRun.exe支持，其存放于MCGS目錄的Program子目錄中。在運(yùn)行環(huán)境中完成對(duì)工程的控制工作。MCGS組態(tài)軟件的具體操作和使用請(qǐng)自行閱讀MCGS用戶。（2）PLC編程軟件本套控制系統(tǒng)下位機(jī)編程軟件采用SIEMENS公司的下位機(jī)編程軟件STEP 7

30、-Micro/WIN V4.0。STEP 7-Micro/WIN V4.0是S7-200PLC系列產(chǎn)品的最新版編程軟件，包括以下升級(jí)功能：PID自整定控制面板、超級(jí)項(xiàng)目樹(shù)形結(jié)構(gòu)、狀態(tài)趨勢(shì)圖、PLC歷史記錄和事件緩存區(qū)、項(xiàng)目文件的口令保護(hù)、存儲(chǔ)卡支持、TD200和TD200C支持、PLC內(nèi)置位置控制向?qū)?、?shù)據(jù)歸檔向?qū)?、配方向?qū)?、PTO指令向?qū)?、診斷LED組態(tài)、數(shù)據(jù)塊頁(yè)、新的字符串和變量。STEP 7-Micro/WIN V4.0的兼容性極強(qiáng)，支持當(dāng)前所有S7-200 CPU 22X系列產(chǎn)品。增加了數(shù)據(jù)記錄指令、配方指令、PID自整定指令、夏令時(shí)指令、間隔定時(shí)器指令、診斷LED（DIAG_LED）

31、指令和線性斜坡脈沖指令等。用戶可以用語(yǔ)句表、梯形圖和功能塊圖編程，不同的編程語(yǔ)言編制的程序可以相互轉(zhuǎn)換?？梢酝ㄟ^(guò)PC/PPI電纜在Windows下實(shí)現(xiàn)CPU和PC的通訊?？傮w說(shuō)來(lái)，它的功能強(qiáng)大，使用方便，簡(jiǎn)單易學(xué)。圖3-2 西門子STEP 7-Micro/WIN軟件界面2 軟件流程圖設(shè)計(jì) 在STEP7-MicroWin環(huán)境中編寫(xiě)、調(diào)試、下載PLC的梯形圖程序。在編寫(xiě)PLC程序時(shí)，查閱了STEP7關(guān)于模擬量輸入處理、模擬量輸出處理、定時(shí)中斷、PID指令等內(nèi)容。程序的流程圖如下圖3-3所示： 圖3-3 軟件設(shè)計(jì)流程圖3 設(shè)備之間安裝與連接（1）設(shè)備連接按照?qǐng)D3-4所示，將實(shí)驗(yàn)所需的設(shè)備如液位變送器

32、、PLC、調(diào)節(jié)閥等安裝并接線。圖3-4 控制系統(tǒng)示意圖（2） PLC控制用PC/PPI通訊電纜線將S7-200PLC主機(jī)CPU224的口連接到計(jì)算機(jī)上的串口1上，并按照下面的實(shí)訓(xùn)接線圖3-5連接實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。圖3-5 S7-200PLC單容水箱液位定值控制接線圖在控制柜上，合上三相四線空氣開(kāi)關(guān)、三相和單相空氣開(kāi)關(guān)給控制柜上電，旋開(kāi)PLC電源，給PLC上電；旋開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電源開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。打開(kāi)STEP 7-Micro/WIN V4.0軟件，打開(kāi)“THJDS-1A”程序進(jìn)行下載，然后將S7-200PLC主機(jī)CPU224置于運(yùn)行狀態(tài)（如果前面做過(guò)這一步可省略）。運(yùn)行MCGS組態(tài)軟件，打開(kāi)“S7

33、-200PLC控制”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)訓(xùn)三、單容水箱液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)訓(xùn)三的監(jiān)控界面。（3） 數(shù)據(jù)采集模塊控制把數(shù)據(jù)采集模塊用RS485通訊線通過(guò)RS485/232轉(zhuǎn)換器連接到計(jì)算機(jī)串口1，并按照下面的實(shí)訓(xùn)接線圖3-6連接實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)。圖3-6 數(shù)據(jù)采集模塊輸出接線圖在控制柜上，合上三相四線空氣開(kāi)關(guān)、三相和單相空氣開(kāi)關(guān)給控制柜上電，旋開(kāi)DDC電源，給數(shù)據(jù)采集模塊上電；旋開(kāi)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥電源開(kāi)關(guān)，給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥上電。打開(kāi)MCGS組態(tài)軟件，打開(kāi)“數(shù)據(jù)采集模塊控制”工程，然后進(jìn)入MCGS運(yùn)行環(huán)境，在主菜單中點(diǎn)擊“實(shí)訓(xùn)三、單容水箱液位定值控制”，進(jìn)入實(shí)訓(xùn)三的監(jiān)控界面。圖3-7

34、 S7-200PLC單容水箱液位自衡控制接線圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖單容自衡水箱特性測(cè)試結(jié)果如下圖片所示：圖3-8 閥門開(kāi)度為80%時(shí)的特性測(cè)試圖3-9 閥門開(kāi)度為80%時(shí)的歷史數(shù)據(jù)圖3-10 閥門開(kāi)度為60%時(shí)的階躍特性測(cè)試第四章 總結(jié)4.1收獲感言這次過(guò)程控制課程設(shè)計(jì)給我們帶來(lái)了很多的收獲。首先，是知識(shí)方面的收獲，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)讓我們對(duì)所學(xué)課程又有了更多的了解，對(duì)這門學(xué)科在現(xiàn)實(shí)生活中的應(yīng)用也有了更多的了解，我們體會(huì)到了知識(shí)在現(xiàn)代社會(huì)中的重要作用。其次，是與人溝通方面的收獲，現(xiàn)代社會(huì)生活節(jié)奏較快，知識(shí)更新速度加快，每個(gè)人都應(yīng)該不斷學(xué)習(xí)，不斷充實(shí)自己，要學(xué)會(huì)與人合作，這樣才能提高辦事效率，如果不與人合作，往往事倍功半。通過(guò)本次課設(shè)，對(duì)組態(tài)軟件的認(rèn)識(shí)與了解更加深刻了。在自己動(dòng)手設(shè)計(jì)調(diào)試的過(guò)程中，使我們對(duì)PLC和應(yīng)用有了更深一步的了解，相信對(duì)以后會(huì)有很大的幫助。PLC和過(guò)程控制在現(xiàn)代生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用，是非常實(shí)用非常重要的知識(shí)。這次課設(shè)把變頻器和PLC聯(lián)系在一起，讓我對(duì)所學(xué)知識(shí)有了更加靈活的掌握。在以后的生活中，如果有時(shí)間，我們想再多學(xué)習(xí)一些有關(guān)PLC和變頻器方面的知識(shí)。感謝老師的諄諄教誨，讓我們學(xué)到了那么多寶貴的知識(shí)。4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)PLC程序及說(shuō)明水位測(cè)量值(VD40