過程檢測課程設(shè)計——串級液位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上摘 要基于MCGS和S7-200PLC的液位流量串級控制系統(tǒng)就是組態(tài)軟件和可編程序控制器（PLC）聯(lián)合應(yīng)用的實例。在這個設(shè)計中，利用MCGS組態(tài)軟件對數(shù)據(jù)、圖形進(jìn)行組態(tài)，進(jìn)而做出上下水箱的動態(tài)仿真畫面。然后PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理并與MCGS平臺進(jìn)行通訊，從而對液位比值對象進(jìn)行全面監(jiān)控。本設(shè)計采用了西門子的S7-200系列進(jìn)行程序的編寫。將編寫正確的PLC程序與在MCGS組態(tài)軟件下做出的動態(tài)界面進(jìn)行動態(tài)連接，在經(jīng)過檢查證明組態(tài)的設(shè)置沒有錯誤后，進(jìn)入MCGS的運行環(huán)境，可以在MCGS運行環(huán)境下看到液位的實時曲線的變化輸出情況，隨時對水箱的液位狀況進(jìn)行調(diào)整和監(jiān)測。在運行環(huán)

2、境中可以通過鼠標(biāo)在線的改變PID的參數(shù)設(shè)定值來實現(xiàn)對上下水箱的液位調(diào)節(jié)和控制，使系統(tǒng)達(dá)到要求值,從而大大提高了工作效率。串級控制系統(tǒng)是過程控制中的一種多回路控制系統(tǒng)，是為了提高單回路控制系統(tǒng)的控制效果而提出來的一種控制方案。串級控制系統(tǒng)把兩個單回路控制系統(tǒng)以一定的結(jié)構(gòu)形式串聯(lián)在一起，它不僅具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。串級控制系統(tǒng)采用了兩個調(diào)節(jié)器，因此它的調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定更復(fù)雜一些。關(guān)鍵字： PLC；組態(tài)軟件；串級控制系統(tǒng) 專心-專注-專業(yè)ABSTRACTBased on liquid flow MCGS and S7-200PLC cascade c

3、ontrol system is the configuration software and programmable logic controller (PLC) combined with application examples. In this design, configuration of data, using MCGS graphical configuration software, and then make the dynamic simulation on the screen under the water tank. Then the PLC data acqui

4、sition, processing and the communication with the MCGS platform, so as to comprehensively monitor the level ratio of object.The preparation of this design uses the S7-200 series Siemens program. You will write a correct PLC program for dynamic linking and dynamic interface made in MCGS configuration

5、 software, after tests prove the configuration settings are not wrong, the operating environment to enter the MCGS, can see the change of the output level real-time curve in the MCGS operating environment, adjustment and monitoring at any time and the water level condition. The running environment,

6、can through the parameters of the mouse online change the set value of PID to achieve the level of the upper and lower water regulation and control, so that the system can reach the required value, thereby greatly improving the work efficiency.Cascade control system is a multi loop control system in

7、 process control is a control scheme is proposed in order to improve the control effect of single loop control system and the. The cascade control system of two single loop control system with a certain structure of series connected together, it not only has all the functions of the single loop cont

8、rol system, but also has many single loop control system there is no advantage. The cascade control system has used two regulator, so the parameters of the controller tuning some of the more complicated it.Keywords ：PLC ；Configuration software ；Cascade control system第1章 緒論隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程向著大型、連續(xù)和強化方向發(fā)展，對控

9、制系統(tǒng)的控制品質(zhì)提出了日益增長的要求。在這種情況下，簡單的單回路控制已經(jīng)難以滿足一些復(fù)雜的控制要求。在單回路控制方案基礎(chǔ)上提出的串級控制方案，則對提高過程控制的品質(zhì)有極為明顯的效果。串級控制系統(tǒng)具有單回路控制系統(tǒng)的全部功能，而且還具有許多單回路控制系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點。因此，串級控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量一般都比單回路控制系統(tǒng)好，而且串級控制系統(tǒng)利用一般常規(guī)儀表就能夠?qū)崿F(xiàn)，所以，串級控制是一種易于實現(xiàn)且效果又較好的控制方法，在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用也比較普遍。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常用的兩個參數(shù)，對液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時間常數(shù)T一般很大，因此有很大的容積遲延，如果用單

10、回路控制系統(tǒng)來控制，可能無法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級控制系統(tǒng)可以用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，成本增加也不大，卻可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果，因此往往采用串級控制系統(tǒng)對液位進(jìn)行控制。一般情況下，流量是影響液位的主要因素，其時間常數(shù)較小，將它納入副回路進(jìn)行控制，不僅有效地克服了流量對液位造成的干擾，而且使系統(tǒng)工作頻率提高，能夠?qū)σ何粚嵭休^快的控制。當(dāng)然，還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案，例如前饋控制、大遲延滯后補償控制。但這兩種控制方案較難用一般常規(guī)儀表來實現(xiàn)，在經(jīng)濟性和簡便性上不如串級控制，一般用在其它有特殊要求的控制系統(tǒng)中。第2章 總體方案的設(shè)計2.1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計整個過程控制系統(tǒng)

11、由控制器、調(diào)節(jié)器、測量變送、被控對象組成。在本次控制系統(tǒng)中控制器為計算機，采用算法為PID控制規(guī)律，調(diào)節(jié)器為電磁閥，測量變送為HB、FT兩個組成，被控對象為流量PV。結(jié)構(gòu)組成如下圖2-1所示。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，水泵開始抽水，通過管道分別將水送到上水箱和下水箱，由HB返回信號，是否還需要放水到下水箱。若還需要（即水位過低），則通過電磁閥控制流量的大小，加大流量，從而使下水箱水位達(dá)到合適位置；若不需要（即水位過高或剛好合適），則通過電磁閥使流量保持或減小。其過程控制系統(tǒng)圖如圖2-2所示。圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖過程控制系統(tǒng)由四大部分組成，分別為控制器、調(diào)節(jié)器、被控對象、測量變送。本次設(shè)計為流量回路控制

12、，即為閉環(huán)控制系統(tǒng)，如下圖2-2所示。圖2-2系統(tǒng)控制過程框圖2.2 被控對象的設(shè)計水泵變頻器流量調(diào)節(jié)器流量測量變送器液位對象U儲水箱液位調(diào)節(jié)器液位測量變送器f圖2-3 被控對象的構(gòu)成圖2.3 被控對象的傳遞函數(shù)為入口流量，由調(diào)節(jié)閥開度加以控制，出口流量則由電磁閥控制產(chǎn)生干擾。被調(diào)量為水箱中的水位H,它反映水的流入與流出量之間的平衡關(guān)系。現(xiàn)在分析水位在電磁閥開度擾動下的動態(tài)特性。顯然，在任何時刻水位的變化均滿足下述物料平衡方程：，其中， 。F為水箱的橫截面積；是決定于閥門特性的系數(shù)，可以假定它是常數(shù)；是與電磁閥開度有關(guān)的系數(shù)，在固定不變的開度下，可視為常數(shù)。液位對象的傳遞函數(shù): （2.1）第3

13、章 PID參數(shù)整定3.1 比例調(diào)節(jié)在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號與偏差信號成比例，即 。式中Kc稱為比例增益（視情況可設(shè)置為正或負(fù)）, 為調(diào)節(jié)器的輸出，是對調(diào)節(jié)器起始值的增量，的大小可以通過調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點加以改變。在過程控制中習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系： （3.1）其中稱為比例帶。比例調(diào)節(jié)的顯著特點就是有差調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮，人們希望盡量減小比例帶。然而，減小比例帶就等于加大調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益，其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求，比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時，如果余差過

14、大，則需通過其它的途徑解決。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動作幅度很小，因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒有超調(diào)，但余差很大，調(diào)節(jié)時間也很長。減小就加大了調(diào)節(jié)閥的動作幅度，引起被調(diào)量來回波動，但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的，余差相應(yīng)減小。具有一個臨界值，此時系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況，進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。3.2 積分調(diào)節(jié)在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度(t)/t與偏差信號e成正比，即：或 。式中KI稱為積分速度，可視情況取正值或負(fù)值。上式表明，調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點是無差調(diào)節(jié)，與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對比。只有當(dāng)被調(diào)量偏差e為零時，I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時，調(diào)節(jié)

15、器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對象在負(fù)荷擾動的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量沒有余差，而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開度上。I調(diào)節(jié)的另一特點是它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。例如，根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知，對于非自衡的被控對象采用P調(diào)節(jié)時，只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定（除非被控對象含有一個以上的積分環(huán)節(jié)）；如果采用I調(diào)節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對于同一個被控對象，采用I調(diào)節(jié)時其調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行總比采用P調(diào)節(jié)時緩慢，表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道，在穩(wěn)定邊界上若采用P調(diào)節(jié)則被控對象須提供180°相角滯后。若采用I調(diào)節(jié)則被控對象只須提供90°相

16、角滯后。這就說明用I調(diào)節(jié)取代P調(diào)節(jié)就會降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調(diào)節(jié)時，控制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度KI成正比。因此，增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。因為KI愈大，則調(diào)節(jié)閥的動作愈快，就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時，振蕩頻率將愈來愈高，而最大動態(tài)偏差則愈來愈小。被調(diào)量最后都沒有余差，這是I調(diào)節(jié)的特點。3.3 比例積分調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為：或。式中為比例帶，可視情況取正值或負(fù)值；為積分時間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個重要參數(shù)。它是由比例動作和積分動作兩部分組成的。在施加階躍

17、輸入的瞬間，調(diào)節(jié)器立即輸出一個幅值為e/的階躍，然后以固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時，調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣，就可以確定和TI的數(shù)值。還可以注意到，當(dāng)t=TI時，輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見，TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重：TI愈小，積分部分所占的比重愈大。PI調(diào)節(jié)器引入積分動作帶來消除余差之好處的同時，卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來的衰減率，PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大，這樣會使調(diào)節(jié)時間ts增大，最大偏差也會增大。3.4 微分調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的，而不管那時被控對象中流入量與流出量之間有多大的不平衡，而這個

18、不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢。由于被調(diào)量的變化速度（包括其大小和方向）可以反映當(dāng)時或稍前一些時間流入、流出量之間的不平衡情況，因此，如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來移動調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調(diào)節(jié)的效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見性，這種調(diào)節(jié)動作稱為微分調(diào)節(jié)。此時調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時間的導(dǎo)數(shù)成正比，即 （3.2）因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用，它可以與其它調(diào)節(jié)動作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動作。3.5 比例積分微分調(diào)節(jié)PID調(diào)節(jié)器的動作規(guī)律是 （3.3） （3.4）式中、TI和TD參數(shù)意義與PI、PD調(diào)節(jié)器相同。第4章

19、設(shè)備的選擇4.1 液位傳感器液位傳感器用來對上誰為水箱的壓力進(jìn)行檢測，采用工業(yè)的DBYG擴散硅壓力變送器，本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線制傳輸，喜愛用高品質(zhì)低耗精密器件，穩(wěn)定性、可靠性大大提高?？煞奖愕呐c其他DDZ3X型儀表互換配置，并能直接替換進(jìn)口同類儀表。校驗的方法是通電預(yù)熱15分鐘后，分別在零壓力和滿程壓力下檢查輸出電流值。在零壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為4mA，在滿量程壓力下調(diào)整量程電位器，使輸出電流為20mA。本傳感器精度為0.5級，因為為二線制，故工作時需串24V直流電源。壓力傳感器用來對上水位水箱和中水位水箱的壓力進(jìn)行檢測，采用工業(yè)用的DBYG擴散硅壓力變送器，0.5級精度，二線制4

20、-20mA標(biāo)志信號輸出。4.2 電磁流量傳感器流量傳感器用來對電動調(diào)節(jié)閥的主流量和干擾回路的干擾流量進(jìn)行檢測。根據(jù)本試驗裝置的特點，采用工業(yè)用的LDS-10S型電磁流量傳感器，公稱直徑10mm，流量0.03m3/h,壓力1.6Mpmax,4-20mA標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。可與顯示，記錄儀表，積算器或調(diào)節(jié)器配套。避免了渦輪流量計非線性與死區(qū)大的致命缺點，確保實驗效果能達(dá)到教學(xué)要求。流量轉(zhuǎn)換器采用LDZ-4型電磁流量傳感器配套使用，輸入信號：00.4mV輸出信號：420mA DC, 許負(fù)載電阻為0750歐姆，基本誤差：輸出信號量程的0.5%。4.3 電動調(diào)節(jié)閥電動調(diào)節(jié)閥對控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用德國PS

21、L202型智能電動調(diào)節(jié)閥，無需配伺服放大器，驅(qū)動電機采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機，運行平穩(wěn)，體積小，力矩大，抗堵轉(zhuǎn)，控制精度高。控制單元與電動執(zhí)行機構(gòu)一體化，可靠性高，操作方便，并可與計算機配套使用，組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實現(xiàn)對壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié)，具有體積小，重量輕，連線簡單，泄漏量少的優(yōu)點。采用PS電子式直行程執(zhí)行機構(gòu)，4-20mA閥位反饋信號輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯，流量具有等百分比特性，直線特性和快開特性，閥門采用彈簧連接，可預(yù)置閥門關(guān)斷力，保證閥門的可靠關(guān)斷，防止泄露。性能穩(wěn)定可靠，控制精度高，使用壽命長等優(yōu)點。4.4 水泵

22、采用丹麥蘭富循環(huán)水泵。噪音低，壽命長，不會影響教師授課減少使用麻煩。功耗小，220V供電即可，在水泵出水口裝有壓力變送器，與變送器一起可構(gòu)成恒壓供水系統(tǒng)。4.5 變頻器FR-S520變頻器，4-20mA控制信號輸入，可對流量或壓力進(jìn)行控制，該變頻器體積小，功率小，功能非常強大，運行穩(wěn)定安全可靠，操作方便，壽命長，可外加電流控制，也可通過本身旋鈕控制頻率。可單相或三相供電，頻率可高達(dá)200Hz。第5章 實際控制系統(tǒng)的運行與調(diào)試5.1 實際控制系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計圖圖5-1 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計圖5.2 實際控制系統(tǒng)的運行步驟1.打開組態(tài)王畫面，進(jìn)入液位流量串級控制實驗界面。2.按控制線路接通管路。3.設(shè)定調(diào)節(jié)器

23、參數(shù)及液位給定值。4.打開實驗裝置電源開關(guān)，進(jìn)行實驗，并記錄實驗曲線和數(shù)據(jù)。5.3 實際控制系統(tǒng)的調(diào)試步驟采用兩步法進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)的調(diào)試整定，具體步驟如下：1.在主、副環(huán)路閉合的情況下，將主調(diào)節(jié)器比例度設(shè)定為100%，積分時間設(shè)定為最大，微分時間設(shè)定為最小，然后按衰減曲線法整定副調(diào)節(jié)器，找出副變量出現(xiàn)4：1振蕩過程時的比例度及振蕩周期。2.將副調(diào)節(jié)器比例度設(shè)定為值，積分時間設(shè)定為最大，微分時間設(shè)定為最小。用衰減曲線法整定主調(diào)節(jié)器的比例度及振蕩周期。3.依據(jù)所得到的、值，結(jié)合主、副調(diào)節(jié)器的選型，按前面單回路系統(tǒng)整定時所給出的公式，可以計算出主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)。4.將上述計算所得調(diào)節(jié)器參數(shù)，按先副

24、環(huán)后主環(huán)、先比例次積分最后微分的順序在主、副調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，觀察控制過程曲線，如不夠滿意，可適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行一些微小的調(diào)整。表5-1 調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)節(jié)器類型調(diào)節(jié)器參數(shù)PPIPID表中、分別是衰減比為4：1時的比例度和振蕩周期。調(diào)試結(jié)果參數(shù)：，,5.4 調(diào)試后的質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)給定液位值為300mm。超調(diào)量：；調(diào)節(jié)時間：（對應(yīng)5%的誤差帶）；穩(wěn)態(tài)誤差：±2mm。圖5-2 PID調(diào)節(jié)曲線結(jié) 論本課程設(shè)計利用西門子S7-200可編程控制器實現(xiàn)液位PID控制系統(tǒng)來完成，同時利用組態(tài)王軟件來實現(xiàn)具體的實際操作和調(diào)試。在設(shè)計過程中，對系統(tǒng)的傳遞函數(shù)做出了計算，對PID參數(shù)進(jìn)行了整定，并且對各種設(shè)備進(jìn)行了選擇，例如液位傳感器，電磁流量傳感器電動調(diào)節(jié)閥等。工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS是利用其設(shè)計的監(jiān)控畫面具有的動態(tài)效果制作水箱的液位顯示圖，還可以在上面對參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定和修改，用實時曲線的動態(tài)顯示變化曲線觀看水箱的液位控制狀態(tài)的變化。西門子S7-2