基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统

过程控制系统课程设计题目:基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统院系名称：电气工程学院专业班级：学生姓名：学号：指导教师：设计地点：设计时间：设计成绩：指导教师：1摘要本次设计是基于组态王与PLC的单容水箱液位控制系统，该系统以实现水箱液位的自动控制。通过计算机控制水箱，从计算机上给定PID参数从而进行水箱液位控制，本次设计主要以单容水箱作为研究对象，运用组态王中亚控仿真PLC进行单容水箱对象特性的测试，并利用MATLAB软件进行了控制系统的仿真及分析，并确定出一组合适的PID参数对其进行控制。其次，采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值，满足设计要求。该设计以基于计算机与PLC控制的单回路液位控制系统，通过安装在水箱底部的压力变送器测量液位，PLC接收来自压力变送器的测量信号，以电动调节阀为执行器，来改变阀门的开度，同时采用组态王进行系统监控，通过对调节器PID参数的整定，实现了水箱液位的闭环控制，使水箱液位稳定在设定值。关键词：水箱液位控制组态王与PLCPID算法2目录1绪论..............................................................31.1背景意义....................................................31.2国内外研究现状..............................................31.3本课题研究意义..............................................32设计方案与仪表选型................................................42.1系统组成....................................................42.2水箱液位控制系统构成........................................42.3水箱液位控制系统工作原理....................................42.4仪表选型....................................................52.4.1变送器的选择...........................................52.4.2执行器的选择...........................................52.4.3水泵的选择.............................................63PID算法设计......................................................63.1PID控制器介绍...............................................63.2PID算法实现.................................................73.2.1PID算法程序设计.......................................73.2.2史密斯预估补偿方案.....................................93.3PLC控制程序流程............................................104被控对象特性分析及MATLAB仿真....................................114.1被控对象动态特性概述.......................................114.2被控对象数学模型的建立.....................................114.2.1阶跃响应曲线法建立单容水箱的数学模型..................114.2.2PID控制器校正单容水箱系统............................125系统组态设计.....................................................145.1组态王软件简介.............................................145.2组态界面的设计.............................................145.2.1项目的建立............................................145.2.2图形画面的制作........................................155.2.3PLC设备的定义........................................165.2.4上位机与PLC的通讯设置................................165.2.5定义变量..............................................175.2.6动态连接..............................................17设计心得...........................................................23参考文献...........................................................24附录：PID程序算法程序.............................................2531绪论1.1背景意义过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。1.2国内外研究现状从50年代以来出现的方法有史密斯预估补偿控制、最优控制、自适应控制、动态矩阵预报控制、预测控制、滑膜变结构控制、鲁棒控制、模糊史密斯控制、模糊自适应控制、模糊PID控制、神经网络控制、专家控制等。其控制方法也已经由传统控制转向智能控制，或者是二者结合。PID控制是迄今应用最广泛的一种控制方法。目前针对纯滞后系统所采用的史密斯控制、模糊控制，以及预测函数控制等先进控制技术。分析表明，这些控制策略都能实现对时滞系统的有效控制，提高了此类液位控制系统的控制品质。而且，对于具有时间滞后特征的工业过程控制问题，多年来一直是控制理论和控制工程界广泛关注的热点之一。1.3本课题研究意义当今时代，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，自然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，所以本设计就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）与P组态王相结合的控制手段。引入PLC可使控制方式更加的集中、有效、及时，引入组态王，可以实时监控系统运行状况，二者互补，完美实现稳定的工业自动化控制。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。42设计方案与仪表选型2.1系统组成单容水箱液位控制系统组成结构如图2.1所示，控制器采用S7-200PLC,被控对象为单容水箱，水箱的液位经液位传感器测量变送至PLC,PLC对数据进行处理，根据控制要求进行运算，结果经模拟量输出给执行器，执行器为电动调节阀。上位机通过计算机PC/PPI电缆和下位机PLC串口通信，上位机安装有STEP7-MicroWin编程软件和组态王监控软件，可以进行控制算法编程，并为过程控制实验提供良好的人机界面，可以在实验时进行参数的设定修改以及响应曲线的在线显示，进行整个试验系统的监控。PLC液位传感器电动调节阀单容水箱组态王上位机PC/PPI通信实时液位阀门开度AIAO图2.1单容水箱液位控制系统组成结构2.2水箱液位控制系统构成单容水箱液位控制系统有四个基本组成部分，即控制器、执行器、被控过程和测量变送等，单容水箱液位控制系统示意图如图2.1所示。LT计算机PLC阀一阀二电动调节阀水泵蓄水箱水箱阀三图2.2单容水箱液位控制系统示意图2.3水箱液位控制系统工作原理在虚拟的水箱控制系统中当水箱液位实际值PV小于给定值SV时，通过组态王界面调大电动调节阀开度，使水箱液位上升；当水箱液位实际值PV大于给定值SV时，此时调小阀门开度，使水箱液位回到给定值上。数据采集原理框图如图2.3，数据采集是一个典型的简单负反馈控制回路,通过传感器将实际的物理5量(即水箱液位)转换为电压信号传给PLC的AD功能模块，转换后可送入PC中，与给定值进行比较得出偏差值，从而改变进水流量，以实现对水箱液位的控制。单容水箱液位控制系统方框图如2.3所示：PID控制器电动调节阀液位变送器水箱扰动设定值SV被控变量液位-图2.3单容水箱液位控制系统方框图2.4仪表选型2.4.1变送器的选择测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。在模拟仪表中，标准信号通常采用4～20mADC、1～5VDC的电流（电压）信号，或20～100kPa的气压信号；在现场总线仪表中，标准信号是指数字信号。因在水箱液位控制系统中测量的是水箱液位，所以实验室选用的是压力液位变送器。液位传感器用来对水箱的液位进行检测，对控制精度有直接的影响，DBYG扩散硅压力变送器是一种新型的压力检测仪表。压力测量头的核心部件是扩散硅压力传感器，因此没有可动部件，抗震性能优良。仪表在工业测量和自动调节系统中作为检测环节用来测量液体、气体或蒸气的压力，并将被测参量转换成4～20mADC的标准电流信号输出，与其它仪表配合实现生产过程中的自动检测和控制。另外，本变送器按标准的二线制传输，采用高品质、低功耗的精密器件，稳定性、可靠性大大提高。因此，本设计采用工业用的DBYG扩散硅压力变送器，如图2.4所示。图2.4DBYG扩散硅压力变送器2.4.2执行器的选择执行器接受来自控制器输出的控制信号，进而实现对操纵变量的改变，从而使被控变量向设定值靠拢。控制阀接收来自控制器输出的控制信号，通过改变阀的开度达到控制流量的目的。控制阀包括执行机构和调节机构两部分。执行机构是控制信号产生推力或位移的装置；调节机构是根据执行机构的输出信号改变能量或物料输送量的装置。因此本设计的执行器选用电动调节阀。电动调节阀对控制回路流量进行调节。采用德国PS公司进口的PSL202型智能电动