基于plc的液位控制系统课程设计.doc

过程控制工程设计课程设计报告书写说明书基于PLC的PID液位控制系统组员姓名： 组员学号： 专业班级： 分 院： 中国计量学院二0一一年 五月二十四日摘要本次课程设计的课题是基于PLC的PID液位控制系统的设计。本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析, 西门子SIEMENS S7-300PLC的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。经过比较，发现西门子的PLC结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。，我们选择西门子。本份报告主要针对系统控制方案的设计和硬件选型，其余部分由其他组员负责。附录软件程序。除去附录目录等共13页。关键词：西门子SIEMENS S7-300PLC，控制对象特性，PID控制算法，硬件选型。目 录摘要1 绪论1.1 PLC的定义1.2本文研究的主要目的 1.3本文研究的主要内容2 西门子SIEMENS S7-300 PLC和控制对象介绍2.1西门子SIEMENS S7-300介绍2.1.1 CPU模块2.1.2 I/O模块2.1.3电源模块 2.2控制对象介绍2.2一阶单容上水箱对象特性2.3二阶双容下水箱对象特性3 串级控制系统3.1串级控制3.1.1串级控制系统的结构3.1.2串级控制系统的特点3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定3.2PID参数3.2.1扩充临界比例度法4控制方案设计4.1系统设计4.1.1上水箱液位的自动调节4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统4.2硬件设计4.2.1检测元件4.2.2控制元件4.2.3控制单元4.2.4软件连接4.3软件涉及附录 软件程序参考文献1绪论1.1PLC的定义国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。1.2本文研究的主要目的为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。1.3本文研究的主要内容一、一阶单容上水箱特性。二、二阶双容水箱对象特性。三、PID串级控制系统的设计2西门子SIEMENS S7-300介绍2.1西门子SIEMENS S7-300介绍简 介： l 模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用 l 大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务 l 由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活 l 方便用户和简易的无风扇设计 l 当控制任务增加时，可自由扩展 l 由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。结构示意图 PLC的原理图2.1.1CPU模块 CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。其功能是：1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。2.1.2I/O模块I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等。I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。输出方式有三种：继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。2.1.3电源模块根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。2.2一阶单容上水箱对象特性所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。一、自衡过程的建摸所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。液位过程，图2.2所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若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与之间的数学表达式。1h12图2.2液位被控过程及其阶跃响应根据动态物料平衡关系有 （2-1）将公式（2-1）表示成增量式为 （2-2）式中： 、分别表示为偏离某一平衡状态、的增量；A贮蓄截面积。在静态时，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比，即 （2-3）式中：阀2的阻力，称为液阻。为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。这里，介绍后一种方法。将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.3方框图。图2.3方框图单容液位过程的传递函数为 （2-4）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；C过程的容量系数，或称过程容量。被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。其物理意义是：引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。下面以图2.4为例讨论纯时延过程的建模。图2.4纯时延单容过程及其响应曲线图2.4所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.4曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为 （2-5）式中：过程的时间常数，；过程的放大系数，；过程的纯时延时间。二阶双容下水箱对象特性在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。0Q000图2.6 双容过程及其响应曲线图2.6（a）所示为两只水箱串联工作的双容过程。其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程 （2-9）为了消去双容过程的中间变量、，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如2.7所示。双容过程的数学模型为 （2-10）1/C1s1/R21/C2s1/R3图2.7 双容过程方框图式中：第一只水箱的时间常数，；第二只水箱的时间常数，；过程的放大系数，；分别是两只水箱的容量3串级控制系统及PID参数3.1串级控制随着现代工业生产的迅速发展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境保护等要求更高的场合，单回路控制系统往往不能满足其需求。为了提高控制品质，在单回路控制方案的基础上，开发出了串级控制系统。3.1.1串级控制系统的结构串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。结构图如图3.1所示。图 3.1 串级控制系统方框图前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。一次扰动：作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。二次扰动：作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。3.1.2串级控制系统的特点在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。其特点有以下几点：一、改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。二、能迅速克服进入副回路的二次扰动。三、提高了系统的工作频率。四、对负荷变化的适应性较强。3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定 一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈，及其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。各环节放大系数极性的正负是这样规定的：对于调节器 ，当测量值增加，调节器的输出也增加，则为负值（即正作用调节器）；反之，为正（即反作用调节器）。调节阀为气开。则为正，气关为负。过程放大系数极性是：当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则为正，反之，为负。在图3.1的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正。根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则，即闭环各环节比例度乘积必须为正，故主调节器均选用反作用调节器，副调节器均选用反作用调节器。3.2 PID参数3.2.1扩充临界比例度法实验经验法调整PID参数的方法中较常用的是扩充临界比例度法,其最大的优点是，参数的整定不依赖受控对象的数学模型，直接在现场整定、简单易行。扩充比例度法适用于有自平衡特性的受控对象，是对连续-时间PID控制器参数整定的临界比例度法的扩充。扩充比例度法整定数字PID控制器参数的步骤是：（1）预选择一个足够短的采样周期。一般说应小于受控对象纯延迟时间的十分之一。表3.1临界振荡整定计算公式调节参数控制规律P2PI2.2/1.2PID1.60.50.25（2）用选定的使系统工作。这时去掉积分作用和微分作用，将控制选择为纯比例控制器，构成闭环运行。逐渐减小比例度，即减小，直至系统对输入的阶跃信号的响应出现临界振荡（稳定边缘），将这时的比例放大系数记为,临界振荡周期记为。（3） 根据表3.1临界振荡整定计算公式代入  、的值，计算出调节器各个参数、的值。（4）根据上述计算结果设置调节器的参数值。观察系统的响应过程，若记录曲线不符合要求时，再适当调整整定参数值。PID控制算法关键的参数Kc（Gain，增益），Ti（积分时间常数），Td（微分时间常数），Ts（采样时间）,在S7-200中PID功能是通过PID指令功能块实现。通过定时（按照采样时间）执行PID功能块，按照PID运算规律，根据当时的给定、反馈、比例积分微分数据，计算出控制量。也就说这些参数是通过PLC的功能块实现的.PID控制器调节输出，保证偏差(e)为零，使系统达到稳定状态。偏差(e)是设定值(SP)和过程变量(PV)的差。输出=比例项+积分项+微分项为了能让数字计算机处理这个控制算式，连续算式必须离散化为周期采样偏差算式，才能用来计算输出值。数字计算机处理的算式如下：输出= 比例项  + 积分项 + 微分项输出=比例项+积分项+微分项。4 控制方案设计4.1系统设计  4.1.1上水箱液位的自动调节在这个部分中控制的是上水箱的液位。系统原理图如图4.1所示。单相泵正常运行，打开阀1和阀2，打开上水箱的出水阀，电动调节阀以一定的开度来控制进入水箱的水流量，调节手段是通过将压力变送器检测到的电信号送入PLC中，经过A/D变换成数字信号，送入数字PID调节器中，经PID算法后将控制量经过D/A转换成与电动调节阀开度相对应的电信号送入电动调节阀中控制通道中的水流量。 出水口阀3阀2电动调节阀压力表阀1出水口阀6下水箱液位传感器上水箱液位传感器阀4进水口溢水口溢水口储水箱单向泵出水口进水口4.1 系统原理图当上水箱的液位小于设定值时，压力变送器检测到的信号小于设定值，设定值与反馈值的差就是PID调节器的输入偏差信号。经过运算后即输出控制信号给电动调节阀，使其开度增大，以使通道里的水流量变大，增加水箱里的储水量，液位升高。当液位升高到设定高度时，设定值与控制变量平衡，PID调节器的输入偏差信号为零，电动调节阀就维持在那个开度，流量也不变，同时水箱的液位也维持不变。系统的控制框图如图4.2所示。其中SP为给定信号，由用户通过计算机设定，PV为控制变量，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号经过PLC的D/A转换成4-20mA的模拟电信号后输出到电动调节阀中调节调节阀的开度，以控制水的流量，使水箱的液位保持设定值。水箱的液位经过压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e ,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。所以系统能实时地调节水箱的液位。4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统上水箱下水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后，外界环境的扰动较大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。主对象副对象执行器PID1PID2A/DD/A主变送器副变送器A/DSP+PVe图4.2 上下水箱控制方框图上水箱下水箱液位控制系统图如图4.2所示，该系统中，上水箱液位作为副调节器调节对象，下水箱液位作为主调节器调节对象。这里的扰动主要是水箱的出水阀的扰动，有时是认为的因素，有时是机械的因素，扰动总是不可避免的。主回路和副回路结合有效地抑制环境的扰动。在这里，执行机构仍然是电动调节阀，依旧由PLC经过PID算法后控制它的开度以控制水管里的水流量，控制两个水箱的水位。它有两个PID回路，分别是PID1和PID2。PID1为外环，控制下水箱的液位，它的输出值作为PID2的设定值，PID2控制上水箱的液位。4.2硬件设计4.2.1检测单元在过程控制系统中，检测环节是比较重要的一个环节。液位是指密封容器或开口容器中液位的高低，通过液位测量可知道容器中的原料、半成品或成品的数量，以便调节流入流出容器的物料，使之达到物料的平衡，从而保证生产过程顺利进行。设计中涉及到液位的检测和变送，以便系统根据检测到的数据来调节通道中的水流量，控制水箱的液位。液位变送器分为浮力式、静压力式、电容式、应变式、超声波式、激光式、放射性式等。系统中用到的液位变送器是SP3051SP型高精度负压力变送器。过压极限：施加014MPa（绝压）压力到变送器任意一侧，变送器不损坏，法兰可承受60MPa压力，正常工作大于3.45kPa（绝对压力），精度等级：0.075%，量程比：100:1。 SP3051SP型高精度负压力变送器 压力传感器4.2.2执行单元执行单元是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自调节单元的输出信号，并转换成直角位移或转角位移，以改变调节阀的流通面积，从而控制流入或流出被控过程的物料或能量实现过程参数的自动控制。执行器的工作原理，由执行机构和调节机构（调节阀）两部分组成。执行机构首先将来自调节器的信号转变成推力或位移，对调节机构（调节阀）根据执行机构的推力或位移，改变调节阀的阀芯或阀座间的流通面积，以达到最终调节被控介质的目的。来自调节器的信号经信号转换单元转换信号制式后，与来自执行机构的位置反馈信号比较，其信号差值输入到执行机构，以确定执行机构作用的方向和大小，其输出的力或位移控制调节阀的动作，改变调节阀的流通面积，从而改变被控介质的流量。当位置反馈信号与输入信号相等时，系统处于平衡状态，调节阀处于某一开度。 系统中用到的QS智能型调节阀所用到的执行机构为电动执行机构，输出为角行程，控制轴转动。电动执行机构的组成框图。来自PLC的模拟量输出DC4-20mA信号Ii与位置反馈信号If进行比较，其差值经放大后，控制伺服电动机正转或反转，再经减速器后，改变调节器的开度，同时输出轴的位移，经位置发生器转换成电流信号If。当Ii=If时，电动机停止转动，调节阀处于某一开度，即Q=KIi，式中Q为输出轴的转角，K为比例常数。电动调节阀还提供手动操作，它的上部有个手柄，和轴连在一起，在系统掉电时可进行手动控制，保证系统的调节作用。4.2.3控制单元控制单元是整个系统的心脏。在系统中，PLC是控制的中心元件，它的选择是控制单元设计的重要部分。系统应用的是西门子S7-300的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。4.2.4元件连线图 （注：只是用组态软件显示下过程 控制不涉及组态软件）液位变送器调节阀储水池4.3软件设计 现在以上水箱的液位控制系统为例，画出其控制流程图附录单容水箱PID液位制系统设计程序6结论通过本次毕业论文的创作，我知道了液位控制系统在生活中的重要性。基于PLC的PID液位控制系统能让我们在生活中遇到比较危险的场合中变得安全化、智能化。对于前人以前的所做的液位控制系统本系统更加的人性化，可以随时修改液位的设定值。但本论文有许多不足之处，在PLC的编程方面做得不够理想，希望大家指正。参考文献1王庭有等编著，可编程控制器原理及应用，国防工业出版社，北京，20082李国勇编著，过程控制系统，电子工业出版社，北京20093孙洪程 利大宇编著，过程控制工程设计，化学工业出版社，北京，2008