液位控制系統(tǒng)和直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、課程設(shè)計報告用紙項目一: 液位控制系統(tǒng)設(shè)計第一章 單容水箱設(shè)備組成及其工作原理1.1單容水箱設(shè)備的組成（1） 液位變送器：液位傳感器是用來上位水箱和下位水箱的液位進行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標準的二線制傳輸，采用高品質(zhì)，低功耗精密器件，穩(wěn)定性和可靠性大大提高。本傳感器精度為0.5級，因為二線制，故工作時需串聯(lián)24V直流電源。（2） 電動調(diào)節(jié)閥：調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量、壓力和液位。根據(jù)調(diào)節(jié)部位信號，自動控制閥門的開度，從而達到介質(zhì)流量、壓力和液位的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)閥分電動調(diào)節(jié)閥、氣動調(diào)節(jié)閥和液動調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥由電動執(zhí)行機構(gòu)或氣動執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥兩部分組成。調(diào)節(jié)并通常分

2、為直通單座式和直通雙座式兩種，后者具有流通能力大、不平衡辦小和操作穩(wěn)定的特點，所以通常特別適用于大流量、高壓降和泄漏少的場合。（3） 變頻器：變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。變頻器實際上就是一個逆變器。它首先是將交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笥秒娮釉χ绷麟娺M行開關(guān)，變?yōu)榻涣麟?。一般功率較大的變頻器用可控硅，并設(shè)一個可調(diào)頻率的裝置，使頻率在一定范圍內(nèi)可調(diào)，用來控制電機的轉(zhuǎn)數(shù)，使轉(zhuǎn)數(shù)在一定的范圍內(nèi)可調(diào)。變頻器廣泛用于交流電機的調(diào)速中，變頻調(diào)速技術(shù)是現(xiàn)代電力傳動技術(shù)重要發(fā)展的方向，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，交流變頻技術(shù)從理論到實際逐漸走向成熟。變頻器不僅調(diào)速平滑

3、，范圍大，效率高，啟動電流小，運行平穩(wěn)，而且節(jié)能效果明顯，所以應(yīng)用越來越廣泛。（4） 水泵：水泵是一種利用大氣壓強將低處的水汲往高處的機器,多半是以電動機作為動力。抽水的電動機泵通常把提升液體、輸送液體或使液體增加壓力 , 即把原動機的機械能變?yōu)橐后w能量從而達到抽送液體目的的機器統(tǒng)稱為泵。在水泵出水口裝有壓力變送器，與變頻器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。（5） 模擬量輸入模塊：模擬量輸入模塊可測量多通道交流電壓、電流輸入信號。（6） 模擬量輸出模塊。1.2單容水箱設(shè)備的工作原理本實驗系統(tǒng)的被控量為上小水箱的液位高度，實驗要求中水箱的液位穩(wěn)定在給定值。將壓力傳感器檢測到的上小水箱液位信號作為反饋信號，

4、在與給定量比較后的差值通過調(diào)節(jié)器控制電動調(diào)節(jié)閥的開度，以達到控制水箱液位的目的。為了實現(xiàn)系統(tǒng)在階躍給定和階躍擾動作用下的無靜差控制，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器應(yīng)為PID控制。首先由差壓傳感器檢測出水箱水位；水位實際值通過單片機進行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號后，被輸入計算機中；最后，在計算機中，根據(jù)水位給定值與實際輸出值之差，利用PID程序算法得到輸出值，再將輸出值傳送到PLC中，由PLC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。最后，由PLC的輸出模擬信號控制交流變頻器，進而控制電機轉(zhuǎn)速，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)水位的計算機自動控制。第二章 PLC的設(shè)計2.1 PLC硬件在這使用西門子S7-200 PLC進行研究，西門子P

5、LC產(chǎn)品在國內(nèi)市場推廣較早，是國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的PLC產(chǎn)品之一，S7-200PLC是一種小型PLC，其結(jié)構(gòu)緊湊，功能強大，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或者連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復雜控制功能。 S7-200PLC控制器硬件系統(tǒng)由四部分組成：CPU模塊、擴展模塊及PC/PPI電纜，還有計算機。系統(tǒng)連接如圖1所示圖1 系統(tǒng)連接圖PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2所示，點劃線部分在PLC內(nèi)。在模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)中，被控量c(t)（液位）是連續(xù)變化的模擬量，某些執(zhí)行機構(gòu)（變頻器）要求PLC輸出模擬信號M（t）,而PLC的CPU只能處理數(shù)字量。

6、c(t)首先被測量元件（傳感器）和變送器轉(zhuǎn)換為標準量程的直流電流信號或直流電壓信號pv(t)，PLC的模擬量輸入模塊用A/D轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為數(shù)字量pv(n)。 PLC按照一定的時間間隔采集反饋量，并進行PID控制的計算。這個時間間隔為采樣周期。圖中的sp(n)、pv(n)、e(n)、M（n）均為第n次采樣時的數(shù)字量，pv(n)、M（t）、c(t)為連續(xù)變化的模擬量。圖2 PLC模擬量閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖在中水箱右液位閉環(huán)控制系統(tǒng)中，用壓力傳感器檢測水箱液位，液位變送器將傳感器輸出的微弱的電壓信號轉(zhuǎn)換為標準量程的電流或電壓，然后送給模擬量輸入模塊，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)化后得到與液位成比例的數(shù)字量，CPU將它

7、與液位設(shè)定值比較，并按PID控制算法對誤差值進行運算，將運算結(jié)果（數(shù)字量）送給模擬量輸出模塊，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后變?yōu)殡娏餍盘柣螂妷盒盘枺脕砜刂普{(diào)節(jié)閥控制量，通過它控制進水流量，實現(xiàn)對液位的閉環(huán)控制。2.2 程序編寫鑒于上述，采用PLC中的PID回路指令進行程序的編寫，該指令利用回路表中的輸入信號和組態(tài)信息，進行PID運算，使用方法非常方便。其中使用PID指令的關(guān)鍵有三步：1. 建立PID回路表；2. 對輸入采樣數(shù)據(jù)進行歸一化處理；3. 對PID輸出數(shù)據(jù)進行工程量轉(zhuǎn)換。表1 PID回路表變量名變量類型寄存器數(shù)據(jù)類型讀寫屬性數(shù)據(jù)范圍描述PID0-PVI/O實數(shù)VD100Float只讀01測量值PID

8、0-SPI/O實數(shù)VD104Float讀寫01設(shè)定值PID0-MVI/O實數(shù)VD108Float讀寫01輸出值PID0-PI/O實數(shù)VD112Float讀寫-1000 1000增益Kp，負數(shù)為副作用，正數(shù)為正作用PID0-II/O實數(shù)VD120Float讀寫010000積分時間Ti，單位為分鐘PID0-DI/O實數(shù)VD214Float讀寫010000微分時間Td，單位為分鐘PID0_A_MI/O實數(shù)VB481Bit讀寫01為0時自動，1時手動第22頁圖3程序流程圖此梯形圖，分為三部分：MAIN(主程序)、SBR1 SBR3子程序、SCALE,UNSCALE INT_0（中斷服務(wù)子程序）。MAI

9、N：調(diào)用初始化子程序初始化：建立PID回路表，裝入設(shè)定值、回路增益、積分時間以及微分時間（地址參照表1 進行配置）；設(shè)置時基0，每100MS產(chǎn)生中斷，并連接中斷事件。PID算法： 第三章 系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計3.1通信組態(tài)通信組態(tài)軟件是重要組件，是項目開始的第一步。在這里將完成通信口、單元的創(chuàng)建及配置，模擬量、開關(guān)量、電度、保護定值、SOE事件、操作等成員的運行參數(shù)設(shè)定。本軟件采用可視化設(shè)計方法，鼠標拖拉操作風格，使原本復雜難懂的系統(tǒng)管理任務(wù)變得十分輕松自如。新建工程項目。然后選擇設(shè)備，COM1。然后再工作區(qū)選擇“新建”。雙擊，在設(shè)備配置向?qū)a(chǎn)廠家、設(shè)備名稱、通訊方式窗口中選擇串口。選擇下一步，然

10、后設(shè)置邏輯名稱下水箱，如圖4所示。圖4選擇“下一步”。然后設(shè)置串口號，依據(jù)計算機的通訊端口來選擇。單擊“下一步”，然后設(shè)置地址，首先設(shè)置內(nèi)給定儀表，所以設(shè)定地址2，如圖5所示。圖5單擊“下一步”，設(shè)置通訊參數(shù)，不需要改變?nèi)魏螀?shù)。單擊“完成”，就可以看到整個設(shè)置的參數(shù)。3.2 變量組態(tài)數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”軟件的核心部分，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，操作者在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送往生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，所以說數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機和下位機的橋梁。選擇工程瀏覽器左側(cè)大綱項“數(shù)據(jù)庫/數(shù)據(jù)詞典”，在工程瀏覽器右側(cè)用鼠標左鍵雙擊“新建”圖標，彈出“變量屬性”對

11、話框。此對話框可以對數(shù)據(jù)變量完成定義、修改等操作，以及數(shù)據(jù)庫的管理工作。在“變量名”處輸入變量名，如：調(diào)整跨度；在“變量類型”處選擇變量類型：內(nèi)存實數(shù)，單擊“確定”即可。下面定義一個I/O變量。在“變量名”處輸入變量名，如：PID0_P；在“變量類型”處選擇變量類型：I/O實數(shù)；在“連接設(shè)備”中選擇先前定義好的IO設(shè)備：sim；在“寄存器”中定義為：V112；在“數(shù)據(jù)類型”中定義為：float類型。單擊“確定”即可。圖6 定義I/O變量同上述步驟，建立如下圖7數(shù)據(jù)變量： 圖7 數(shù)據(jù)變量3.3 畫面組態(tài)針對單容下水箱液位變頻器PID單回路控制實驗的畫面組態(tài)如圖8所示。 圖8單容下水箱液位變頻器P

12、ID單回路控制實驗的畫面組態(tài)圖創(chuàng)建組態(tài)畫面：使用工程管理器新建一個組態(tài)王工程后，進入組態(tài)王工程瀏覽器， 單擊工程瀏覽器左邊“工程目錄顯示區(qū)”中“畫面”項，右面“目錄內(nèi)容顯示區(qū)”中顯示“新建”圖標，鼠標雙擊該圖標，彈出“新畫面”對話框，如圖9所示。 圖9新畫面在對話框中可定義畫面的名稱、大小、位置、風格，及畫面在磁盤上對應(yīng)的文件名。該文件名可由“組態(tài)王”自動生成，工程人員可以根據(jù)自己的需要進行修改。輸入完成后單擊“確定”按鈕使當前操作有效，或單擊“取消”按鈕放棄當前操作。這樣就建立一個畫面名稱為“單容水箱液位測試實驗”的新畫面。畫面編輯命令。3.3.1動畫連接定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)

13、據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表現(xiàn)出來。為實現(xiàn)在畫面中水箱右側(cè)矩形對象模擬水箱實際液位，可作如下操作。雙擊中水箱左側(cè)矩形對象，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬值輸出”，可彈出“模擬值輸出連接”對話框，其中表達式選擇“本站點PID0_PV”，其設(shè)置如圖10。圖10模擬值的動畫連接創(chuàng)建模擬量輸入可作如下操作：雙擊按鈕“P設(shè)置”，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬量輸入”，在彈出“模擬值輸入連接”對話框中變量名選擇“本站點PID0_P”，其它設(shè)置如下圖11所示。圖11模擬量輸入設(shè)置關(guān)于“命令語言”設(shè)置如下：雙擊按鈕對象“開始”，可彈出“動畫連接”

14、對話框，選擇“命令語言連接”的“彈起時”，在彈出“命令語言”對話框中填入“本站點開始停止=1;”，單擊確定?？蓪崿F(xiàn)，按下該按鈕時，變量開始停止=1。圖12 命令語言的使用第四章 調(diào)試4.1調(diào)試步驟 1.加載PLC程序。 2.關(guān)閉PLC軟件，關(guān)閉變頻器開關(guān)，進入組態(tài)王組態(tài)運行模式。 3.打開變頻器開關(guān)，在監(jiān)控畫面上點擊“進入系統(tǒng)”，進入監(jiān)控畫面，設(shè)定液位給定值，開始運行按鈕和自動按鈕。 4.根據(jù)液位上升速度和液位實時曲線反復調(diào)節(jié)P、I、D參數(shù)，使液位達到設(shè)定液位同時曲線上升平穩(wěn)。 5.打開手動按鈕，按動進水按鈕看是否進水。運行結(jié)果4.2運行結(jié)果&

15、#160;通過反復調(diào)試和修改，使得該系統(tǒng)正常平穩(wěn)運行。同時得到以下監(jiān)控畫面：1系統(tǒng)運行圖2實時監(jiān)控曲線項目二:直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計第一章 直流電機控制系統(tǒng)的組成及工作原理 1.1直流電機控制系統(tǒng)的組成直流電機：直流電動機是依靠直流電驅(qū)動的電動機，在小型電器上應(yīng)用較為廣泛。以下為直流電動機的工作原理圖:此為一個簡單的直流電（D.C.）電動機。當線圈通電后，轉(zhuǎn)子周圍產(chǎn)生磁場，轉(zhuǎn)子的左側(cè)被推離左側(cè)的磁鐵，并被吸引到右側(cè)，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子依靠慣性繼續(xù)轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)子運行至水平位置時電流變換器將線圈的電流方向逆轉(zhuǎn)，線圈所產(chǎn)生的磁場亦同時逆轉(zhuǎn)，使這一過程得以重復。PCI1711：PCI-1711/1711L

16、 是一款功能強大的低成本多功能PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1711 有2 路模擬量輸出通道，PCI-1711L 沒有模擬量輸出通道。用戶可以在PCI-1711 和PCI-1711L 之間選擇能夠滿足實際需要又節(jié)約成本的數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1711/1711L 完全符合PCI 規(guī)格Rev2.1 標準，支持即插即用。在安裝插卡時，用戶不需要設(shè)置任何跳線和DIP 撥碼開關(guān)。實際上，所有與總線相關(guān)的配置，比如基地址、中斷，均由即插即用功能完成。PCI-1711/1711L 有一個自動通道/增益掃描電路。在采樣時，這個電路可以自己完成對多路選通開關(guān)的控制。用戶可以根據(jù)每個通道不同的輸入電壓類型來進行

17、相應(yīng)的輸入范圍設(shè)定。所選擇的增益值將儲存在SRAM 中。這種設(shè)計保證了為達到高性能數(shù)據(jù)采集所需的多通道和高速采樣（可達100KS/s）。1.2工作原理從傳感器和直流電機等模擬和數(shù)字被測單元中自動采采集信號送到上位機組態(tài)王中進行分析、處理，并進行PID計算。進而控制直流電機的速度。第二章 PID的設(shè)計 2.1 直流電機控制系統(tǒng)的PID算法控制本設(shè)計采用的是工業(yè)控制中最常用的PID控制規(guī)律，內(nèi)環(huán)與外環(huán)的控制算法采用PID算法，PID算法實現(xiàn)簡單，控制效果好，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，外環(huán)PID的輸出作為內(nèi)環(huán)的輸入，內(nèi)環(huán)跟隨外環(huán)的輸出。在工程實際中，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，簡稱PID

18、控制，又稱PID調(diào)節(jié)。它結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)整，在長期的應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗。其常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖15所示。 積分比例微分被控對象 + + +u(t)e(t)r(t) +-c(t) 圖15 PID控制系統(tǒng)原理框圖 PID控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構(gòu)成控制偏差。 （1-1) 將偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）通過線性組合可以構(gòu)成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。它的控制規(guī)律為 (1-2)寫成傳遞函數(shù)形式為 (1-3)式中為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。第三章 系統(tǒng)組態(tài)的設(shè)計3.1通信組態(tài)通信組態(tài)軟件是重要組件，

19、是項目開始的第一步。在這里將完成通信口、單元的創(chuàng)建及配置，模擬量、開關(guān)量、電度、保護定值、SOE事件、操作等成員的運行參數(shù)設(shè)定。本軟件采用可視化設(shè)計方法，鼠標拖拉操作風格，使原本復雜難懂的系統(tǒng)管理任務(wù)變得十分輕松自如。新建工程項目。然后選擇設(shè)備，新建PCI1711。如圖16所示 圖16 邏輯名稱的設(shè)定一直單擊“下一步”，設(shè)置通訊參數(shù)，不需要改變?nèi)魏螀?shù)。單擊“完成”，就可以看到整個設(shè)置的參數(shù)。如同17所示圖17 安裝的設(shè)備信息3.2變量組態(tài)定義一個I/O變量。在“變量名”處輸入變量名，如：AO_motor；在“變量類型”處選擇變量類型：I/O實數(shù)；在“連接設(shè)備”中選擇PCI1711設(shè)備；在“寄

20、存器”中定義為：DA0；在“數(shù)據(jù)類型”中定義為：float類型。單擊“確定”即可。如圖18圖18定義一個內(nèi)變量。在“變量名”處輸入變量名，如：速度濾波；在“變量類型”處選擇變量類型：內(nèi)存實型；單擊“確定”即可。如圖19圖19同上述兩種步驟，建立如下數(shù)據(jù)庫：表2 組態(tài)王數(shù)據(jù)庫變量名變量類型連接設(shè)備寄存器報警組描述速度濾波內(nèi)存實型測量值A(chǔ)O_motorI/O實型PCI1711DA0輸出值SpeedI/O實型PCI1711AD0轉(zhuǎn)速SP_speed內(nèi)存實型設(shè)定值畫如下：圖203.3畫面組態(tài)3.3.1創(chuàng)建組態(tài)畫面進入組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)后，就可以為每個工程建立數(shù)目不限的畫面，在每個畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或

21、動態(tài)圖形對象。這些畫面都是由“組態(tài)王”提供的類型豐富得圖形對象組成的。本項目主畫面如圖21所示圖21 主畫面3.2.2 動態(tài)畫面鏈接定義動畫連接是指在畫面的圖形對象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立一種關(guān)系，當變量的值改變時，在畫面上以圖形對象的動畫效果表現(xiàn)出來。為實現(xiàn)在畫面中測量值，可作如下操作。雙擊測量值的“#”對象，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬值輸出”，可彈出“模擬值輸出連接”對話框，其中表達式選擇“本站點速度濾波”，其設(shè)置如圖22。圖22創(chuàng)建模擬量輸出可作如下操作：雙擊按鈕“#轉(zhuǎn)”，可彈出“動畫連接”對話框，選擇“模擬量輸出”，在彈出“模擬值輸出連接”對話框中變量名選擇“”，其它設(shè)置如

22、下圖23所示。圖23關(guān)于“命令語言”設(shè)置如下：右擊畫面選擇畫面屬性，再選擇命令語言。在其中輸入本站點速度濾波=本站點速度濾波*0.8+本站點speed*0.2;畫面如圖24 圖24第四章 調(diào)試組態(tài)王工程已經(jīng)建立起來，進入到運行和調(diào)試階段。在組態(tài)王開發(fā)系統(tǒng)中選擇“文件切換到 View”菜單命令，進入組態(tài)王運行系統(tǒng)。在運行系統(tǒng)中選擇“畫面打開”命令，從“打開畫面”窗口選擇“Test”畫面。顯示出組態(tài)王運行系統(tǒng)畫面，如圖25所示。 圖25運行系統(tǒng)畫面上圖運行所設(shè)置的PID參數(shù)如下圖26所示圖26收獲體會在為期兩周的控制系統(tǒng)分析與綜合的課程設(shè)計中，我們進一步熟悉了組態(tài)王軟件的使用，并且用組態(tài)王實現(xiàn)了課設(shè)要求的控制功能。我們在書本上學到的知識，在這次課設(shè)中得到了系統(tǒng)化、架構(gòu)化的理解，對于PLC電氣控制理論和PI