单容水箱液位控制系统论文

学院物理与电气工程学院课程名称过程控制系统设计题目单容水箱液位FX2n-32MR控制系统设计专业自动化班级四组员及学号指导教师时间2014.6.21第1页共15页摘要：本设计中，利用PLC与MCGS组态软件进行组态构成水箱液位计算机控制系统。使用FX2n-32MRPLC为控制系统的提供控制与检测通道，利用MCGS组态软件完成对系统的控制参数的设定与实时状态的监控，有效的提高了控制系统的控制效率。在液位控制方面，构成了使用PID控制算法的液位定值控制系统，通过PID参数的整定设定了适当的控制参数，完成对上水箱液位的精确控制。关键词：液位控制，PLC，MCGSAbstract：Inthisdesign,usingPLCandMCGSconfigurationsoftwareconfigurationconsistingoftanklevelcomputercontrolsystem.TheuseofFX2n-32MRPLCprovidescontrolanddetectionofaccesscontrolsystems,monitoringandcontrolparametersonthesystembyusingtheMCGSconfigurationsoftwaresettingwithrealstate,andeffectivelyimprovetheefficiencyofcontrolcontrolsystem.Intheliquidlevelcontrol,aliquidlevelusingPIDcontrolalgorithmoftheconstantvaluecontrolsystem,throughthetuningofPIDparameterssettingthepropercontrolparameters,theaccuratecontroloftanklevel.Keywords：Liquidlevelcontrol，PLC,MCGS第2页共15页目录摘要..............................................................1一．前言............................................................3二．单容水箱液位控制系统及仿真......................................32.1系统原理.....................................................32.2被控对象....................................................42.3水箱建模....................................................42.4系统仿真.....................................................6三.硬件设计........................................................63.1三菱FX2n-32MR系列.........................................63.2PLC系统组成及各部分的功能...................................73.3上位机监控系统...............................................83.3.1MCGS通用监控系统的构成.............................83.3.2MCGS通用监控系统主要功能...........................93.3.3MCGS组态软件画面的制作............................9四．软件设计.......................................................114.1PID控制原理................................................114.2PLC的基本工作原理及梯形图..................................12五．结论...........................................................13参考文献...........................................................14附：PLC源程序.....................................................15第3页共15页一．前言可编程程序控制器（简称PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，许多开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的PLC产品生产出来，PLC控制系统越来越开放。但由于PLC的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。FX2n-32MR(三菱)在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在PLC上得到较好的实现。本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。本课题的设计是先通过工控组态软件MCGS在组态环境下做出一个关于上水箱液位控制的动态连接界面，接着应用FX2n-32MR（三菱)进行程序的编写，在MCGS组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的PLC程序进行动态连接。在通讯接口设备通讯状况良好的条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据的操作和改动就可以达到对上水箱液位控制的目的。操作人员可随时通过动画界监测到上水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义。二．单容水箱液位控制系统及仿真2.1系统原理如下图所示，被控变量为中水箱的液位高度，实验要求中水箱的液位稳定在给定值，将压力传感器检测到的的中水箱的液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节阀的开度，以达到控制中水箱的液位的目的。设定值h（液位）图1上水箱单容液位控制系统方框图调节器电动阀上水箱液位变送器第4页共15页2.2被控对象本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀2V开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。图2单容水箱结构图2.3水箱建模这里研究的被控对象只有一个，那就是单容水箱（图2）。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。正如前面提到的，单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图1-1，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀V2固定于某一开度值。若Q1作为被控对象的输入变量，h为其输出变量，则该被控对象的数学模型就是h与Q1之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系有12dhQQCdt（1-1）将式（1-1）表示为增量形式12dhQQCdt（1-2）式中，1Q、2Q、h——分别为偏离某一平衡状态10Q、20Q、0h的增量；C——水箱底面积。在静态时，1Q=2Q；dhdt=0；当1Q发生变化时，液位h随之变化，阀2V处的静压也随之变化，2Q也必然发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。但为简化起见，经线性化处理，则可近似认为1Q与h成正比，而与阀2V的阻力2R成反比，即第5页共15页22hQR或22hRQ（1-3）式中，2R为阀2V的阻力，称为液阻。将式（1-3）代入式（1-2）可得221dhRChRQdt（1-4）在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得：2012()()()11RHsKGsQsRCsTs（1-5）式中，T=R2C为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），K=R2为过程的放大倍数。令输入流量1()Qs=0/Rs，0R为常量，则输出液位的高度为：000()(1)1/KRKRKRHssTsssT(1-6)即10()(1)tThtKRe（1-7）当t时，0()hKR因而有0()hKR输出稳态值阶跃输入（1-8）当t=T时，则有100()(1)0.6320.632()hTKReKRh（1-9）式（1-7）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2所示。由式（1-9）可知该曲线上升到稳态值的63.2%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，此切线与稳态值的交点所对应的时间就是时间常数T。t00.63h00()h00()22Th(t)2图3阶跃响应曲线第6页共15页2.4系统仿真用Matlab软件建立模型进行仿真，如图4所示。图4Matlab仿真模型图Matlab仿真结果波形图，如图5所示。图5Matlab仿真结果波形图三.硬件设计3.1三菱FX2n-32MR系列第7页共15页三菱PLC是三菱电机在大连生产的主力产品。它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。S7-200系列出色表现在以下几个方面：(1)系统配置即固定又灵活；(2)编程简单；(3)备有可自由选择，丰富的品种；(4)令人放心的高性能；(5)高速运算；(6)使用于多种特殊用途；(7)外部机器通讯简单化；(8)共同的外部设备。3.2PLC系统组成及各部分的功能1．CPU运算和控制中心起“心脏”作用。纵：当从编程器输入的程序存入到用户程序存储器中，然后CPU根据系统所赋予的功能（系统程序存储器的解释编译程序），把用户程序翻译成PLC内部所认可的用户编译程序。横：输入状态和输入信息从输入接口输进，CPU将之存入工作数据存储器中或输入映象寄存器。然后由CPU把数据和程序有机地结合在一起。把结果存入输出映象寄存器或工作数据存储器中，然后输出到输出接口、控制外部驱动器。组成：CPU由控制器、运算器和寄存器组成。这些电路集成在一个芯片上。CPU通过地址总线、数据总线与I/O接口电路相连接。2．存储器具有记忆功能的半导体电路。分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用以存放系统程序，包括管理程序，监控程序以及对用户程序做编译处理的解释编译程序。由只读存储器组成。厂家使用的，内容不可更改，断电不消失。用户存储器：分为用户程序存储区和工作数据存储区。由随机存取存储器（RAM）组成。用户使用的。断电内容消失。常用高效的锂电池作为后备电源，寿命一般为3~5年。3．输入/输出接口（1）输入接口：光电