單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設計

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上過程控制系統(tǒng)課程設計專 業(yè)： 自 動 化 設計題目：單容水箱液位恒值控制系統(tǒng)設計 班級：自0942學生姓名：學號：指導教師： 分院院長： 教研室主任： 電氣工程學院一、課程設計任務書 1. 設計內容針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設計內容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用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，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。2. 設計要求1）以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對

2、象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調節(jié)閥作為執(zhí)行器構成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。2）PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調量15%，穩(wěn)態(tài)誤差±0.1；調節(jié)時間ts10s；3）組態(tài)測控界面上，實時設定并顯示液位給定值、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；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)測控界面上實時改變PID參數(shù)；5）通過S7-200PLC編程軟件Step7實現(xiàn)PLC程序設計與調試；6）分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應的結論；7）設計完

3、成后，提交打印設計報告。 3. 參考資料1）邵裕森,戴先中主編.過程控制工程(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.20032）崔亞嵩主編.過程控制實驗指導書（校內）3）廖常初主編.PLC編程及應用(第2版).北京:機械工業(yè)出版社.20074）吳作明主編.工業(yè)組態(tài)軟件與PLC應用技術.北京:北京航空航天大學出版社.20074. 設計進度（2012年12月3日至2011年12月16日）時間設計內容2012年12月3日 布置設計任務、查閱資料、進行硬件系統(tǒng)設計2012年12月4日2012年12月5日編制PLC控制程序，并上機調試；2012年12月6日2012年12月7日利用MCGS組態(tài)軟件建立該系統(tǒng)的工

4、程文件2012年12月10日2012年12月12日進行MCGS與PLC的連接與調試進行PID參數(shù)整定2012年12月13日2012年12月14日系統(tǒng)運行調試，實現(xiàn)單容水箱液體定值控制2012年1月15日2012年1月16日寫設計報告書5. 設計時間及地點設計時間：上午：8：0011：00下午：1：004：00晚上：6：009：00設計地點：新實驗樓，過程控制實驗室（310） 機房（323）過程控制系統(tǒng)課程設計報告班 級：自動化0942 姓 名： 學 號： 37 指導教師： 撰寫日期：2012-12-5 專心-專注-專業(yè)引言本文根據液位系統(tǒng)過程機理，建立了單容水箱的數(shù)學模型。在設計中用到的PID

5、算法提到得較多，PLC方面的知識較少。并根據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，進行了系統(tǒng)仿真，并通過整定PID參數(shù)，同時得出了整定后的仿真曲線和實際曲線。PLC在工業(yè)自動化中應用的十分廣泛。PID控制經過很長時間的發(fā)展，已經成為工業(yè)中重要的控制手段。本設計就是基于PLC的PID算法對液位進行控制。PLC經傳感電路進行液位高度的采集，然后經過自動調節(jié)方式來確定完PID參數(shù)后，通過控制直流泵的工作時間來實現(xiàn)液位的控制。MCGS(監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是用于快速構造上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)測環(huán)節(jié)就是通過MCGS來設計的。這樣我們就可以通過組態(tài)畫面對

6、液位高度和泵的起停情況進行監(jiān)測，而且可以對PLC進行啟動、停止、液位高度設置等控制。整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定、簡單實用，MCGS與PLC通信流暢。過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環(huán)控制。作為工業(yè)控制計算機，PLC能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環(huán)控制。PID調節(jié)是一般閉環(huán)控制系統(tǒng)中用得較多的調節(jié)方法。大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。第一章 課程設計內容與要求分析1.1課程設計內容針對某廠的液位控制過程與要求實現(xiàn)模擬控制，其工藝過程如下：用泵作為原動力，把水

7、從低液位池抽到高液位池，實現(xiàn)對高液位池液位高度的自動控制。具體設計內容是利用西門子S7-200PLC作為控制器，實現(xiàn)對單容水箱液位高度的定值控制，同時利用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，實現(xiàn)實時監(jiān)控的目的。1.2課程設計要求（1） 以RTGK-2型過程控制實驗裝置中的單個水箱作為被控對象、PLC作為控制器、靜壓式壓力表作為檢測元件、電動調節(jié)閥作為執(zhí)行器構成一個單容水箱單閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對水箱液位的恒值控制。（2） PLC控制器采用PID算法，各項控制性能滿足要求：超調量20%，穩(wěn)態(tài)誤差±0.1；調節(jié)時間ts60s；（3） 組態(tài)測控界面上，實時設定并顯示液位給定值

8、、測量值及控制器輸出值；實時顯示液位給定值實時曲線、液位測量值實時曲線和PID輸出值實時曲線；（4） 選擇合適的整定方法確定PID參數(shù)，并能在組態(tài)測控界面上實時改變PID參數(shù)；（5） 通過S7-200PLC編程軟件Step7實現(xiàn)PLC程序設計與調試；（6） 分析系統(tǒng)基本控制特性，并得出相應的結論；（7） 設計完成后，提交打印設計報告。1.3PID控制的原理工程實際中，應用最為廣泛的調節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調節(jié)。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握

9、，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以采用時，系統(tǒng)控制器的結構和參數(shù)必須依靠經驗和現(xiàn)場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。1. 比例環(huán)節(jié) 用于加快系統(tǒng)的響應速度，提高系統(tǒng)的調節(jié)精度。越大，系統(tǒng)的響應速度越快，系統(tǒng)的調節(jié)精度越高，但易產生超調，甚至會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。取值過小，則會降低調節(jié)精度，使響應速度緩慢，從而延長調節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。2. 積分環(huán)

10、節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但過小，在響應過程的初期會產生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應過程的較大超調。若過大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調節(jié)精度。3. 微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，其作用主要是在響應過程中抑制偏差向任何方向的變化，對偏差變化進行提前預報。但過大，會使響應過程提前制動，從而延長調節(jié)時間，而且會降低系統(tǒng)的抗干擾性能。第二章 MCGS組態(tài)軟件的概述2.1MCGS組態(tài)軟件介紹MCGS(Monitor and Control Generated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng))是一套基于windows95/98/NT操作系統(tǒng)(或更高版本)，用

11、來可快速構造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，它為用戶提供了從設備驅動、數(shù)據采集到數(shù)據處理、報警處理、流程控制、動畫顯示、報表輸出等解決實際工程問題的完整方案和操作工具。MCGS組態(tài)軟件具有多任務、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC+語言編程，通過OLE技術向用戶提供VB編程接口，提供豐富的設備驅動件、動畫構件、策略構件，用戶可隨時方便地擴充系統(tǒng)的功能。工程創(chuàng)建的一般過程為：（1） 工程項目系統(tǒng)分析：分析工程項目的系統(tǒng)構成、技術要求和工藝流程，弄清系統(tǒng)的控制流程和監(jiān)控對象的特征，明確監(jiān)控要求和動畫顯示方式，分析工程中的設備采集及輸出通道與軟件中實時數(shù)據庫變量的對應關系，分清哪些變量是要求與設備連

12、接的，哪些變量是軟件內部用來傳遞數(shù)據及動畫顯示的。（2） 工程各項搭建框架：MCGS稱為建立新工程。主要內容包括：定義工程名稱、封面窗口名稱和啟動窗口（封面窗口退出后接著顯示的窗口）名稱，指定存盤數(shù)據庫文件的名稱以及存盤數(shù)據庫，設定動畫刷新的周期。經過此步操作，即在MCGS組態(tài)環(huán)境中，建立了由五部分組成的工程結構框架。封面窗口和啟動窗口也可等到建立了用戶窗口后，再行建立。（3） 設計菜單基本體系：為了對系統(tǒng)運行的狀態(tài)及工作流程進行有效地調度和控制，通常要在主控窗口內編制菜單。編制菜單分兩步進行，第一步首先搭建菜單的框架，第二步再對各級菜單命令進行功能組態(tài)。在組態(tài)過程中，可根據實際需要，隨時對菜

13、單的內容進行增加或刪除，不斷完善工程的菜單。（4） 制作動畫顯示畫面：動畫制作分為靜態(tài)圖形設計和動態(tài)屬性設置兩個過程。前一部分類似于“畫畫”，用戶通過MCGS組態(tài)軟件中提供的基本圖形元素及動畫構件庫，在用戶窗口內“組合”成各種復雜的畫面。后一部分則設置圖形的動畫屬性，與實時數(shù)據庫中定義的變量建立相關性的連接關系，作為動畫圖形的驅動源。（5） 編寫控制流程程序：在運行策略窗口內，從策略構件箱中，選擇所需功能策略構件，構成各種功能模塊（稱為策略塊），由這些模塊實現(xiàn)各種人機交互操作。MCGS還為用戶提供了編程用的功能構件（稱之為“腳本程序”功能構件），使用簡單的編程語言，編寫工程控制程序。（6） 完

14、善菜單按鈕功能：包括對菜單命令、監(jiān)控器件、操作按鈕的功能組態(tài)；實現(xiàn)歷史數(shù)據、實時數(shù)據、各種曲線、數(shù)據報表、報警信息輸出等功能；建立工程安全機制等。（7） 編寫程序調試工程：利用調試程序產生的模擬數(shù)據，檢查動畫顯示和控制流程是否正確。（8） 連接設備驅動程序：選定與設備相匹配的設備構件，連接設備通道，確定數(shù)據變量的數(shù)據處理方式，完成設備屬性的設置。此項操作在設備窗口內進行。2.2MCGS組態(tài)軟件設計我們在建立畫面之前先建立工程：1. 單擊文件菜單中“新建工程”選項，由于MCGS安裝在D盤根目錄下，則會在D：MCGSWORK下自動生成新建工程，默認的工程名為：“新建工程0X.MCG”，其中0表示工

15、程的序號。 2. 選擇文件菜單中的“工程另存為”菜單項，彈出文件保存窗口。 3. 在MCGS組態(tài)平臺上，單擊“用戶窗口”，在“用戶窗口”中單擊“新建窗口”按鈕，則產生新“窗口0”，將其改名為“單容水箱”，同理，建立“窗口1” “窗口2”將其改名為“歷史曲線” “退出提示”，見圖2-1所示：2-1 用戶窗口4. 單擊“窗口屬性”，進入“用戶窗口屬性設置”，將“窗口名稱”改為：單容水箱；將“窗口標題”改為：單容水箱；在“窗口位置”中選中“最大化顯示”，其它不變，單擊“確認”。5. 選中剛創(chuàng)建的“單容水箱”用戶窗口，單擊“動畫組態(tài)”，進入動畫制作窗口。 選擇工具欄如圖2-2所示：圖2-2 MCGS工

16、具箱通過MCGS工具箱畫出如圖2-3的界面：圖2-3 動畫組態(tài)過程控制6. 同樣歷史曲線、 退出提示，如上述繪畫，如圖2-4,2-5所示：圖2-4 歷史曲線圖2-5 退出提示7. 以設定值為例，在MCGS工具箱雙擊彈出“動態(tài)屬性設置”，在其中的“填充顏色”選黑色，“邊線顏色”選黑色，“字符顏色”選紅色。在下面的“大小變化”前打對號，在其表達式中填入“SP”，在“最大變化百分比”中填入100，“表達式的值”中填入50，“變化方向”選擇向上，如圖2-6所示：圖2-6大小變化設置2.3設備安裝與連接1. 在“實時數(shù)據庫”中建立多個對象，如圖2-7所示：圖2-7 實時數(shù)據庫2. 雙擊“通用串口父設備”

17、，在“基本屬性”完成設置，如圖2-8所示：圖2-8 基本屬性3. 再在“通用串口父設備”中雙擊s7200-西門子S7-200PP，點擊其中的“基本屬性”完成設置，如圖2-9所示：圖2-9基本屬性4. 同理，在“通道連接” “設備調試”中完成設置，如圖2-10，2-11所示：圖2-10 通話連接圖2-11設備調試第三章 S7-200PLC編程設計3.1S7-200PLC介紹S7-200系列在集散自動化系統(tǒng)中充分發(fā)揮其強大功能。使用范圍可覆蓋從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制。應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測，自動化控制有關的工業(yè)及民用領域，包括各種機床、機械、電力設施、民用設施、環(huán)境

18、保護設備等等。如：沖壓機床，磨床，印刷機械，橡膠化工機械，中央空調，電梯控制，運動系統(tǒng)。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。 S7-200系列出色表現(xiàn)在以下幾個方面： （1） 極高的可靠性 （2） 極豐富的指令集 （3） 易于掌握 （4） 豐富的內置集成功能 （5） 實時特性 （6） 強勁的通訊能力 （7） 豐富的擴展模塊 3.2S7-200PLC設計程序1. Network 1VD400:測量值顯示單元；VD404：設定值顯示單元；VD408：輸出值顯示單元取測量值并顯示和存放；設定給定值并存放；取輸出值并顯示；（PID指令回路表存放設定值和測量值），如圖3-1所示：圖3-1 Net

19、work 12. Network 2清設定值，測量值，輸出值，比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)單元。如圖3-2所示：圖3-2 Network 23. Network 3置PID回路表首地址，置第0號PID。設置采樣時間，存放積分前向初值，如圖3-3所示：圖3-3 Network 34. Network 4數(shù)/模轉換輸出前的工程量化：將VD5（標準化實數(shù)0.0-1.0）轉化為16位整數(shù)，并送模擬量輸出存儲區(qū)AQW0，實現(xiàn)數(shù)/模轉換。如圖3-4所示：圖3-4 Network 45. Network 5模/數(shù)轉換輸入后的工程量化：將第0路模/數(shù)轉換結果AIW0（16位整數(shù)）轉化為標準實數(shù)（0.0-1.0

20、），并存入測量值單元VD400.如圖3-5所示：圖3-5 Network 5第四章 系統(tǒng)運行調試4.1設備安裝與調試將實驗所需的設備如液位變送器、PLC、調節(jié)閥等安裝并接線。圖4-1 控制系統(tǒng)示意圖圖4-2 控制系統(tǒng)框圖4.2系統(tǒng)運行數(shù)據調試4.2.1等幅震蕩設Kc=550，SP=15時，產生震蕩，如圖4-3所示：圖4-3 等幅震蕩時曲線根據等幅震蕩所獲得的歷史曲線圖如圖4-4所示，記錄波峰時所在的時間，然后計算得出=26s。圖4-4 等幅震蕩時歷史曲線4.2.2P調節(jié)器由圖4-2可知，=26s，Kc=550，則k=1/Kc=1/550, 由表1-1可知：表1-1 臨界振蕩整定計算公式 Ti

21、Td P 2k PI 2.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.25Ti可得到，=2k=2*(1/550)=1/275，則Kc=1/=275，如圖4-5所示：圖4-5 P調時的整定狀態(tài)4.2.3PI調節(jié)器由表1-1可知，=2.2k=2.2*(1/550)=2.2/275，則Kc=1/=275/2.2=250，Ti=Tk/1.2=26/1.2=21.7s，則Ki=Kc/Ti=250/21.7=11.52，如圖4-6所示：圖4-6 PI調時的整定狀態(tài)4.2.4PID調節(jié)器由表1-1可知，=1.6k=1.6*(1/550)，則Kc=1/=550/1.6=343.75。Ti=0.5Tk

22、=0.5*26=13s，則，Ki=Kc/Ti=343.75/13=26.45，Td=0.25Ti=0.25*13=3.25s，則Kd=Kc*Td=343.75*3.25=1117.2，如圖4-7所示：圖4-7 PID調時的整定狀態(tài)4.3P、PI、PID調節(jié)器的比較圖4-8與4-9為P、PI、PID調的整定歷史曲線，通過觀察與比較這三種調節(jié)器的歷史曲線，得到如下結論：（1） P調時，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。（2） PI 調時，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系，積分控制可以是系統(tǒng)實現(xiàn)無靜差的情況下保持恒速運行，實現(xiàn)無差調速，消除穩(wěn)態(tài)誤差。（3） PID調時，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關系。具有抑制誤差的作用，還有明顯減小了超調量。由（1）（2）（3）比較可知，PID作用調節(jié)質量最好，PI調節(jié)第二。純比例調節(jié)