单容水箱液位组态控制实验报告

4单容水箱液位组态控制实验报告学院：自动化学院班级：学号：姓名:单容水箱液位组态一．实验目的：1.熟悉单容水箱液位调节阀PID控制系统工作原理2.熟悉单用户项目组态过程3.掌握WINCC画面组态设计方法4.掌握WINCC过程值归档的组态过程5.掌握WINCC消息系统的组态过程6.掌握WINCC报表系统的组态过程二：单容水箱实验原理1、实验结构介绍水流入量Qi由调节阀u控制，流出量Qo则由用户通过闸板开度来改变。被调量为水位H。分析水位在调节阀开度扰动下的动态特性。直接在调节阀上加定值电流，从而使得调节阀具有固定的开度。(可以通过智能调节仪手动给定，或者AO模块直接输出电流。)调整水箱出口到一定的开度。突然加大调节阀上所加的定值电流观察液位随时间的变化，从而可以获得液位数学模型。通过物料平衡推导出的公式：kQHkQiO,那么)(1HkkFdtdH，其中，F是水槽横截面积。在一定液位下，考虑稳态起算点，公式可以转换成RkHdtdHRC。公式等价于一个RC电路的响应函数，C=F就是水容，kHR02就是水阻。LT103给定值图4-1单容水箱液位数学模型的测定实验QohQiFV101如果通过对纯延迟惯性系统进行分析，则单容水箱液位数学模型可以使用以下S函数表示：)1()(0TSSKRSG。相关理论计算可以参考清华大学出版社1993年出版的《过程控制》，金以慧编著。2、控制系统接线表测量或控制量测量或控制量标号使用PLC端口使用ADAM端口下水箱液位LT103AI0AI0调节阀FV101AO0AO03参考结果单容水箱水位阶跃响应曲线，如图4-2所示：图4-2单容水箱液位飞升特性此时液位测量高度184.5mm，实际高度184.5mm-3.5mm=181mm。实际开口面积5.5x49.5=272.25mm²。此时负载阀开度系数：smxHQk/1068.6/5.24max。水槽横截面积：0.206m²。那么得到非线性微分方程为(标准量纲):：HHdtdH24003.000138.0206.0/)668000.0000284.0(/进行线性简化，可以认为它是一阶惯性环节加纯延迟的系统)1/()(TsKesGs。三．对A3000的系统理解：A3000高级过程控制实验系统独创现场系统概念，而不是对象系统。现场系统包括了实验对象单元、供电系统、传感器、执行器(包括电动调节阀、变频器及调压器)、以及半模拟屏，从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整、独立的现场环境。1、A3000特点(1)现场系统通过一个现场控制箱，集成供电系统、变频器、移相调压器、以及现场继电器，所有驱动电力由现场系统提供。它仅需通过标准接线端子接收标准控制信号即能完成所有实验功能。从而实现了现场系统与控制系统完全独立的模块化设计。(2)现场控制箱侧面是工业标准接线端子盒。这种标准信号接口可以使现场系统与用户自行选定的DCS系统、PLC系统、DDC系统方便连接，甚至用户自己用单片机组成的系统都可以对现场系统进行控制。(3)现场系统的设计另外的优势是保证动力线与控制线的电磁干扰隔离。(4)现场系统的设计保证了控制系统只需要直流低压就可以了，使得系统设计更模块化，更安全、具有更大的扩展性。A3000-FS系统结构原理图如图2-1所示。图2-1A3000现场系统结构图现场系统包括三个水箱，一个大储水箱，一个锅炉，一个工业用板式换热器，两个水泵，大功率加热管，滞后时间可以调整的滞后系统，一个硬件联锁保护系统。传感器和执行器系统包括5个温度、3个液位、1个压力，1个电磁流量计，1个涡轮流量计，1个电动调节阀，两个电磁阀，2个液位开关。2、现场系统面板左侧设置：Ø电源：220VAC单相电源开关，380VAC三相电源开关。Ø开关：三个旋钮开关，分别是1#、2#工频电源开关，以及变频器控制水泵的开关。可以拔出上面水泵的电力连线，连接到不同的位置，从而更改各个水泵的电力来源。可以是工频，也可以是变频器。如果用户不需要变频调速，则建议全部使用工频控制。按照设计，使用变频器控制的水泵，其面板对应的指示灯可能不工作，因为变频器可能输出0-50Hz，而继电器不能工作。Ø两个拨动开关，分别是现场系统照明用电源开关，以及变频器STF(正转)控制开关。注意在机柜上还有并联的一个STF控制端，如果要设置工作模式，请断开该控制端。为了避免控制逻辑太复杂，我们一般不连接机柜上的这个开关。Ø电压表：显示加在调压器上的电压值。Ø变频器：对于A3000FBS系统，则具有ProfibusDP控制端子。面板右侧是现场系统的模拟屏，安装有5个指示灯和滞后管系统的两手动调节阀。当两个水泵、两个电磁阀开启时，其状态指示灯分别点亮。当锅炉内水位超过低限液位开关时，液位开关闭合，联锁控制指示灯点亮，可以开始对锅炉加热。3、支路分析现场系统包含两个支路。支路1有1#水泵，换热器，锅炉，还可以直接注水到三个水箱以及锅炉。支路2有2#水泵，压力变送器，电动调节阀，三个水箱，还有一路流入换热器进行冷却。(1)支路1分析支路1包括左边水泵，1#流量计，电磁阀等组成，可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，电磁阀可能没有。由于支路1可以与锅炉形成循环水，可以做温度控制实验。为了保证加热均匀，应该使用动态水，本系统设计了一个水循环回路来达成此目的。即打开JV304、JV106、XV101，关闭其它阀门(注意JV104)，开启1#水泵，则锅炉内的水通过1#水泵循环起来。锅炉内有高、低限两个液位开关，可以进行联锁保护。当锅炉内液位低于低限液位开关时，液位开关打开，加热器无法开启。当液位超过它时，液位开关合上，加热器信号连通，因此可以防止加热器干烧。高限液位开关有两个作用：第一，当锅炉内水温超过温度上限时，通过联锁控制，打开2#电磁阀，注入冷水，使锅炉内温度快速下降；第二，当锅炉内水量超过液位上限时，高限液位开关闭合，通过联锁控制，关闭2#电磁阀，不再注入冷水。支路1上有一个工业用板式换热器，其冷、热水出口各有一个温度传感器，可以做热量转换实验。锅炉底部连接有滞后管系统。打开JV501、JV502，关闭JV503，锅炉内的水只流过第一段滞后管，进入储水箱。打开JV503，关闭JV502，水流过两段滞后管，即增加了滞后时间。在滞后管出口装有一个温度传感器，可以做温度滞后实验。(2)支路2分析支路2包括右边的水泵，2#流量计，压力变送器，电动调节阀。可以到达任何一个容器，锅炉以及换热器。水泵可以使用变频器控制流量，也可以使用电动调节阀，对于小流量使用调节阀比较准确，对于要求快速控制的，则使用变频器比较方便。支路2有一个电动调节阀，配合三个水箱(各装一个压力变送器)，可以做单容、双容、三容实验，以及液位串级实验、换热器温度串级实验，以及换热器解耦控制实验。水箱装有压力变送器，测得水箱的压力信号，之后转换为液位信号。对于单容实验，我们配有一块反正切闸板、一个截面呈三角形的柱体。反正切闸板替换矩形闸板，用于不同阻力下液位数学模型的测定实验。三角形柱体放入水箱中，可以做非线性容积实验，以及单容水箱容积改变的液位数学模型测定实验。对于流量控制实验，我们可以选择支路2，用电动调节阀作为执行器。同时启动两个支路的水泵，可以做比值控制实验：将支路1流量固定(用涡轮流量计测量流量值)，设定一个比值系数，用PID控制支路2的流量与支路1成比例。对于较复杂的前馈-反馈控制实验，设计使用两个支路的多个设备来完成。以换热器温度－流量前馈反馈实验为例，设备包括：锅炉、换热器、两个水泵、调节阀、涡轮流量计、电磁流量计。前馈控制部分，通过测量换热器热水入口温度及流量，控制调节阀开度，实现冷水流量控制；反馈控制部分，通过测量换热器热水出口温度，控制调节阀开度，实现冷水流量控制。四：实验内容及步骤1实验内容：基于A3000的单容水箱液位调节阀PID控制单容下水箱液位PID控制流程图如图4-1所示。水介质由泵P101从水箱V104中加压获得压头，经由调节阀FV101进入水箱V103，通过手阀QV-116回流至水箱V104而形成水循环；其中，水箱V103的液位有LT103测得，用调节手阀QV-116的开启程度来模拟负载的大小。本实验运行的基本环境：本实验的重要的环境就是利用PLC、WinCC工业控制环境实现对于工业过程的检测与控制，另外充分利用Matlab强大的算法能力，从而在PLC+WinCC+Matlab实现工业过程的先进控制实验。图4-1单容下水箱液位PID控制流程图本实验为定值自动调节系统，FV101为操纵变量，LT103为被控变量，采用PID调节来完成。控制测点清单如表4-1所示。2实验步骤：1．组态画面（1）规划画面布局，插入图形对象或控件，并进行图形对象的静态属性设置，要求组态流程图画面如图4-2所示，在此基础上可进行优化画面设计。图4-3实时曲线显示（替换为WinCC的实时数据的趋势控件）图4-5消息系统显示（替换为WinCC的报警控件）A3000是利用西门子PID单回路控制，上图为PID控制组态画面PID控制器参数整定首先，需要把准备好的数据组yu,通过导入命令，导入时域数据；然后进行预处理包括Removetrend、Removemean等；第二，把经过预处理过的数据，进行系统辨识的“估计”。选择Estaimate中“过程模型”命令进行估计(ProcessModel)。ProcessModel的模型结构包含增益K、极点个数选择（最多三阶）、零点选择（最多1个）、系统延迟环节选择。第三，把得到的模型参数进行记录（二）PID控制器参数整定西门子PID公式ERSLAGTMSTVsTNGAINLMN**_1**11*IMC-PID设计的标准公式]11[*]11[1112sssKssssKgFDIcFIIDIcc过程模型内模PID控制器参数11]11[sssKFDIc西门子PID控制器参数SLAGTMSTVsTIK*_1**11*1sKppppckK，pi；pppTIkK,sppesk1PID控制器：)5.0()5.0(ppckk5.0pIppD2建议8.0PI控制器：ppckk)5.0(；5.0pI建议7.1PID控制器：)5.0()5.0(ppkK，5.0pTIppTV2；建议8.0PI控制器：ppkK)5.0(；5.0pTI；建议7.1二阶过程)1)(1(21ssKppckk)(21;21I;2121DpkK)(21;21TI;2121TV西门子PID公式ERSLAGTMSTVsTNGAINLMN**_1**11*IMC-PID设计的标准公式]11[*]11[1112sssKssssKgFDIcFIIDIccS7-300控制系统是利用SIMATICS7-200,S7-300/400站创建可编程逻辑控制程序的标准软件。我们所采用的通讯方式为PC/PPI编程电缆，用于S7-200编程口RS-485与PC机RS-232端口的连接。编程语言可以使用梯形图(LadderDiagram)、功能块图(FunctionBlockDiagram)、语句表(StatementList，也称指令表)。1、程序的一般结构S7-200CPU的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。例如我们编写一个最简单的启动停止操作，这个程序是电力设备控制中最经典的“起保停”电路。下面是用指令表编写的单回路PID的程序示例：鼠标双击左边视图中的ProgramBlock主程序MAIN，增击如下代码