过程检测课程设计——串级液位控制系统设计

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第I页共II页摘要基于MCGS和S7-200PLC的液位流量串级控制系统就是组态软件和可编程序控制器（PLC）联合应用的实例。在这个设计中，利用MCGS组态软件对数据、图形进行组态，进而做出上下水箱的动态仿真画面。然后PLC进行数据采集、处理并与MCGS平台进行通讯，从而对液位比值对象进行全面监控。本设计采用了西门子的S7-200系列进行程序的编写。将编写正确的PLC程序与在MCGS组态软件下做出的动态界面进行动态连接，在经过检查证明组态的设置没有错误后，进入MCGS的运行环境，可以在MCGS运行环境下看到液位的实时曲线的变化输出情况，随时对水箱的液位状况进行调整和监测。在运行环境中可以通过鼠标在线的改变PID的参数设定值来实现对上下水箱的液位调节和控制，使系统达到要求值,从而大大提高了工作效率。串级控制系统是过程控制中的一种多回路控制系统，是为了提高单回路控制系统的控制效果而提出来的一种控制方案。串级控制系统把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起，它不仅具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。串级控制系统采用了两个调节器，因此它的调节器的参数整定更复杂一些。关键字：PLC；组态软件；串级控制系统吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第II页共II页ABSTRACTBasedonliquidflowMCGSandS7-200PLCcascadecontrolsystemistheconfigurationsoftwareandprogrammablelogiccontroller(PLC)combinedwithapplicationexamples.Inthisdesign,configurationofdata,usingMCGSgraphicalconfigurationsoftware,andthenmakethedynamicsimulationonthescreenunderthewatertank.ThenthePLCdataacquisition,processingandthecommunicationwiththeMCGSplatform,soastocomprehensivelymonitorthelevelratioofobject.ThepreparationofthisdesignusestheS7-200seriesSiemensprogram.YouwillwriteacorrectPLCprogramfordynamiclinkinganddynamicinterfacemadeinMCGSconfigurationsoftware,aftertestsprovetheconfigurationsettingsarenotwrong,theoperatingenvironmenttoentertheMCGS,canseethechangeoftheoutputlevelreal-timecurveintheMCGSoperatingenvironment,adjustmentandmonitoringatanytimeandthewaterlevelcondition.Therunningenvironment,canthroughtheparametersofthemouseonlinechangethesetvalueofPIDtoachievetheleveloftheupperandlowerwaterregulationandcontrol,sothatthesystemcanreachtherequiredvalue,therebygreatlyimprovingtheworkefficiency.Cascadecontrolsystemisamultiloopcontrolsysteminprocesscontrolisacontrolschemeisproposedinordertoimprovethecontroleffectofsingleloopcontrolsystemandthe.Thecascadecontrolsystemoftwosingleloopcontrolsystemwithacertainstructureofseriesconnectedtogether,itnotonlyhasallthefunctionsofthesingleloopcontrolsystem,butalsohasmanysingleloopcontrolsystemthereisnoadvantage.Thecascadecontrolsystemhasusedtworegulator,sotheparametersofthecontrollertuningsomeofthemorecomplicatedit.Keywords：PLC；Configurationsoftware；Cascadecontrolsystem吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第1页共14页第1章绪论随着现代工业生产过程向着大型、连续和强化方向发展，对控制系统的控制品质提出了日益增长的要求。在这种情况下，简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。在单回路控制方案基础上提出的串级控制方案，则对提高过程控制的品质有极为明显的效果。串级控制系统具有单回路控制系统的全部功能，而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。因此，串级控制系统的控制质量一般都比单回路控制系统好，而且串级控制系统利用一般常规仪表就能够实现，所以，串级控制是一种易于实现且效果又较好的控制方法，在生产过程中的应用也比较普遍。液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数，对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。液位的时间常数T一般很大，因此有很大的容积迟延，如果用单回路控制系统来控制，可能无法达到较好的控制质量。而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现，成本增加也不大，却可以起到十分明显的提高控制质量的效果，因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。一般情况下，流量是影响液位的主要因素，其时间常数较小，将它纳入副回路进行控制，不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰，而且使系统工作频率提高，能够对液位实行较快的控制。当然，还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案，例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。但这两种控制方案较难用一般常规仪表来实现，在经济性和简便性上不如串级控制，一般用在其它有特殊要求的控制系统中。吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第2页共14页第2章总体方案的设计2.1.系统结构的设计整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2-1所示。当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由HB返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适），则通过电磁阀使流量保持或减小。其过程控制系统图如图2-2所示。调节器电动调节阀中水箱液位变送器_（液位）定值图2-1系统结构组成图过程控制系统由四大部分组成，分别为控制器、调节器、被控对象、测量变送。本次设计为流量回路控制，即为闭环控制系统，如下图2-2所示。图2-2系统控制过程框图控制器控制阀被控对象测量元件变送器干扰作用f被控变量y控制作用偏差e给定值sz吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第3页共14页2.2被控对象的设计图2-3被控对象的构成图2.3被控对象的传递函数iQ为入口流量，由调节阀开度加以控制，出口流量则由电磁阀控制产生干扰。被调量为水箱中的水位H,它反映水的流入与流出量之间的平衡关系。现在分析水位在电磁阀开度扰动下的动态特性。显然，在任何时刻水位的变化均满足下述物料平衡方程：1iodHQQdtF，其中iQk，oQkH。F为水箱的横截面积；k是决定于阀门特性的系数，可以假定它是常数；k是与电磁阀开度有关的系数，在固定不变的开度下，k可视为常数。液位对象的传递函数:00221iHHskQsHFsk（2.1）水泵变频器流量调节器流量测量变送器液位对象△U储水箱液位调节器液位测量变送器△f吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第4页共14页第3章PID参数整定3.1比例调节在P调节中，调节器的输出信号ut与偏差信号et成比例，即CutKet。式中Kc称为比例增益（视情况可设置为正或负）,ut为调节器的输出，是对调节器起始值0u的增量，0u的大小可以通过调整调节器的工作点加以改变。在过程控制中习惯用比例增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：1utet（3.1）其中称为比例带。比例调节的显著特点就是有差调节。比例调节的余差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，人们希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果余差过大，则需通过其它的途径解决。很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳,甚至可以没有超调，但余差很大，调节时间也很长。减小就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，余差相应减小。具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小系统就不稳定了。3.2积分调节在I调节中，调节器的输出信号的变化速度du(t)/dt与偏差信号e成正比，即：IdutKetdt或0tIutKetdt。式中KI称为积分速度，可视情况取正值或负值。上式表明，调节器的输出与偏差信号的积分成正比。I调节的特点是无差调节，与P调节的有差调节形成鲜明对比。只有当被调量偏差e为零时，I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时，调节器的输出吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计第5页共14页却可以停在任何数值。这意味着被控对象在负荷扰动的调节过程结束后，被调量没有余差，而调节阀则可以停在新的负荷所要求的开度上。I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。例如，根据奈氏稳定判据可知，对于非自衡的被控对象采用P调节时，只要加大比例带总可以使系统稳定（除非被控对象含有一个以上的积分环节）；如果采用I调节则不可能得到稳定的系统。对于同一个被控对象，采用I调节时其调节过程的进行总比采用P调节时缓慢，表现在振荡频率较低。把它们各自在稳定边界上的振荡频率加以比较就可以知道，在稳定边界上若采用P调节则被控对象须提供180°相角滞后。若采用I调节则被控对象只须提供90°相角滞后。这就说明用I调节取代P调节就会降低系统的振荡频率。采用I调节时，控制系统的开环增益与积分速度KI成正比。因此，增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。因为KI愈大，则调节阀的动作愈快，就愈容易引起和加剧振荡。但与此同时，振荡频率将愈来愈高，而最大动态偏差则愈来愈小。被调量最后都没有余差，这是I调节的特点。3.3比例积分调节PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除余差。它的调节规律为：0tcIutKetKetdt或011tIutetetdtT。式中为比例带，可视情况取正值或负值；IT为积分时间。和IT是PI调节器的两个重要参数。它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为Δe/δ的阶跃，然后以固定速度Δe/δTI变化。当t=TI时，调节器的总输出为2Δe/δ。这样，就可以确定δ和TI的数值。还可