基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计范文仅供参考.docx

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基于智能仪表和PLC的液位控制系统设计范文仅供参考

摘要

微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

本文介绍了基于智能仪表、西门子S7-300型可编程控制器（PLC）、组态软件的液位控制系统的设计方案。

系统采用PID算法，实现液位的自动控制。

利用组态软件设计人机界面，通过串行口和可编程控制器通信，实现控制系统的实时监控、现场数据的采集与处理。

实验证明，控制系统效果比较令人满意，具有较大的工程实用价值。

关键词：

液位控制；智能仪表；可编程控制器；PID；人机界面

Abstract

Nowadaysintelligentmeasuringapplianceisimprovingmoreandmorequickly.Ithasbeenusedinmoreanmoreplaceofourlife.ItcanmakeElectriccircuitmucheasierthanbefore.Andthecontrolcanberealizedmuchmorepreciseandconvenient.Microelectronicsandcomputertechnologycontinuestodevelop,ledtofundamentalchangesinthestructureofinstrumentstomicro-computer（singlechip）asthemainbody,thecomputertechnologyandtheorganicintegrationofdetectiontechnologytoformanewgenerationof"smartmeters"inMeasurementofprocessautomation,measurementdataprocessingandfunctionaldiversificationofthetraditionalinstrument,comparedtoconventionalmeasuringcircuit,tremendousprogresshasbeenmade.

Itwillrelaythetraditionalcontroltechnology,computerandcommunicationtechnologiestogetherwiththecontrol,andoperationofflexibleconvenient,highreliability,suitableforcontinuouslong-termcharacteristicsofthework,verysuitableforliquidlevelcontrolrequirements.

ThisthesismainlyintroducesadesignofwaterlevelcontrolsystemwithiSIMATICprogrammablelogiccontroller（PLC）andconfigurationsoft.ThissystemadoptsincrementtypeProportional-Integral-Differentialarithmetictorealizethewaterlevelautomation.Forconveniencetomonitorthesystemandprocessdatainactualtime,wehavedesignedHumanMachineInterface（HMI）withconfigurationsoft.Theresultofexperimentationindicatesthatthissystemcouldrunquickly,accuratelyandstablywhichaccordswithouraimperfectly.

Thissystemhasbeenusedwidelyinthetemperaturecontrolsystemfieldforitslowcostandhighstabilizationadvantages.Experimentprovedthatthecontrolsystemmoresatisfactoryresults,withmorepracticalengineeringvalue.

Keywords:

WaterLevelControl；PLC；PID；HMI

46

第一章前言

1.1课题研究背景、意义和目的

微电子技术和计算机技术的不断发展，引起了仪表结构的根本性变革，以微型计算机（单片机）为主体，将计算机技术和检测技术有机结合，组成新一代“智能化仪表”，在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化方面与传统仪表的常规测量电路相比较，取得了巨大进展。

智能仪表不仅能解决传统仪表不易或不能解决的问题，还能简化仪表电路，提高仪表的可靠性，更容易实现高精度、高性能、多功能的目的。

随着科学技术的进一步发展，仪表的智能化程度将越来越高，不但能完成多种物理量的精确显示，同时可以带变送输出、继电器控制输出、通讯、数据保持等多种功能。

目前常用的可编程控制器中，西门子公司的S7-300PLC以其编程软件STEP7的简洁易用和通信网络的功能强大得到业内人士的普遍认可。

1.2液位控制系统的发展状况

近几十年来，控制系统已被广泛使用，在起研究和发展上也已趋于完备，控制的概念更是应用在许多生活周遭的事物。

液位控制系统已是一般工业界所不可缺少的，举凡蓄水槽、污水处理厂等都需要液位元的控制。

使用液位控制系统来自动维持液位高度，工作人员可以轻易在操作室获知整个设备的储水状况，大大减低工作人员工作的危险性，同时更提高了工作的效率及简便性。

除了传统的PID控制系统外，近年来随着智能仪表和PLC的发展，加入智能型控制的系统也得以应用。

近年来液位控制系统取得了很大的进步，出现了许多新型的液位控制仪，如超声波液位计、雷达液位计、光电液位开关等，这些控制器的出现大大提高了控制系统的精度，实现了控制系统的丰富多样性。

近几十年来，在自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外液位控制系统发展迅速，美国、德国、日本等技术领先国家，生产开发出一系列性能优异、实用性强的液位控制器以及相应的仪器仪表，并广泛应用于生产生活的各个领域。

这些先进的控制器不仅能实现各种复杂环境下的液位控制系统的控制，而且运用先进的算法，采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能及计算机技术，使液位控制器的适用范围更加广泛。

国外的液位控制器正朝着高精度、智能化等方向快速发展。

反观我国，虽然液位控制系统在国内生产生活的应用十分广泛，但国内的液位控制器的发展水平仍然不高，同先进国家的差距仍然很大。

国内液位控制器仍以常规的PID控制器为主，无法适用于滞后、复杂、时变的液位系统控制。

智能化、自适应的控制系统，国内还没有相关的成熟技术。

我国相关控制器大量依靠国外的成熟技术，这些都是必须正视的现实。

所以，发展先进的液位控制技术是我们必须重视的趋势。

随着科学技术的不断发展，人们对液位控制系统的要求越来越高，特别是高精度、智能化、人性化的液位控制系统是国内外液位控制系统发展的必然趋势。

1.3论文研究内容

第二章智能仪表与可编程控制器基础

2.1智能仪表基础

2.1.1智能仪表的定义及发展现状

智能仪表是指仪表中配有微控制器，使其具有对数据、命令等进行存储、运算、逻辑判断及自动化操作等功能。

随着微控制器（包括单片机、DSP、ARM等）技术的不断进步和普及，智能仪表得到了迅猛的发展。

新型智能仪表在测量过程自动化、测量结果的数据处理以及功能的多样化方面，都取得了巨大的进步[3]。

我国的仪表行业由于起步晚、水平低，与发达国家相比差距较大。

我国的智能仪表行业还远远不能满足国民经济、科学研究、国防建设以及社会发展等各个方面日益增长的迫切需求。

2.1.2智能仪表的功能

总结起来，智能仪表大体上能实现如下一些功能：

自动校正零点、满度和切换量程

可进行多通道、多参数巡回检测

自动修正各类测量误差

数字滤波及数据处理

控制算法

多种输出形式

数据通信

自诊断

2.1.3智能仪表的基本组成

智能仪表由硬件和软件两大部分组成。

硬件部分包括微控制器及其接口电路、模拟量输入输出电路、开关量输入输出电路、数据通信接口电路、人机交互通道，以及其他外围设备。

智能仪表硬件组成框架图如图2-1所示。

智能仪表的软件，包括监控程序、中断服务程序以及实现各种算法的功能模块。

智能仪表的工作过程如下：

输入信号要经过开关量输入电路或模拟量输入电路进行变换、放大、整形、补偿等处理。

对于模拟量信号，需经A/D转换器转换成数字信号，再通过接口送入微控制器。

由CPU对输入数据进行加工处理、计算分析等一系列工作，通过接口送至显示器或打印机，也可输出开关量信号或经模拟量输出电路的D/A转换器转换成模拟量输出信号。

还可通过串行接口实现数据通信，完成更复杂的测量和控制任务。

开关量模拟量

信号信号通信数据键盘

开关量模拟量显示器打印机

输出信号输出信号

图2-1智能仪表硬件组成框架图

。

2.2可编程控制器基础

2.2.1PLC的历史和发展趋势

20世纪20年代起，人们把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系连接起来组成控制系统，控制各种机械设备，这就是传统的继电器控制系统。

到20世纪60年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置构成的。

20世纪60年代末，美国的汽车制造业竞争激烈，各生产厂家汽车型号不断更新，它必然要求加工的生产线亦随之改变，以及对整个控制系统重新配置，这样，继电器控制系统就需要经常更新和安装，阻碍了更新周期的缩短。

为改变这一状况，美国通用汽车公司（GM）在1968年公开招标，要求用新的控制装置取代继电器控制装置。

目前比较著名的PLC生产厂家有日本的三菱公司、欧姆龙公司、富士电机、松下电工，德国的西门子，法国的TE公司、施耐德公司，韩国的三星公司、LG公司和美国的AB、通用（GE）公司。

PLC现在的发展很快，总的趋势是向高集成度、小体积、大容量、高速度、使用方便、高性能和智能化方向发展[2]。

2.2.2PLC的分类

对于PLC的分类通常可以根据他的结构形式、容量或功能进行。

按照硬件的结构形式，可将PLC分为整体式和模块式两类，还有一些PLC将整体式和模块式的特点结合起来，构成所谓叠装式PLC。

PLC的容量主要指其输入/输出点数。

按容量大小，可将PLC分为：

·小型PLC：

I/O点数一般在256点以下；

·中型PLC：

I/O点数一般在256-1024点之间；

·大型PLC：

I/O点数一般在1024点以上。

按PLC功能上的强弱可分为低档机，中档机，高档机。

当然，上述分类的标准不是固定的，而是随着PLC整体性能的提高不断变化。

2.2.3PLC的基本结构

PLC专为工业现场应用而设计，采用了典型的计算机结构，主要由中央处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM）、输入输出单元（I/O接口）、电源及编程器等几大部分组成。

PLC的基本结构图如图2-2所示。

编程器或其他编程设备

图2-2PLC的基本结构图

中央处理器（CPU）是PLC的核心，一般由2.2.4PLC的编程

常用的PLC程序设计方法有梯形图（LAD）、功能块图（FBD）和语句表（STL）。

梯形图的使用直观方便,可以建立与电器接线图等价的梯形逻辑图,而且在全世界范围内通用,因此,成为多数PLC程序设计和维护人员的首选方法,在实际设计中有着广泛的应用。

2.2.5S7-300型PLC的特性

S7-300PLC是西门子公司的中型PLC，最多可以扩展32个模块。

S7-300PLC是模块式中小型PLC，电源、CPU和其他模块都是独立的，可以通过U形总线把电源（PS）、CPU和其他模块紧密地固定在西门子S7-300标准的导轨（Rail）上。

S7-300PLC的结构示意图如图2-3和2-4。

图2-3S3-300PLC实物图

图2-4S7-300PLC主要结构示意图

第三章PID控制器设计

控制器的设计是基于模型控制设计过程中最重要的一步。

首先要根据受控对象的数学模型和它的各特性以及设计要求，确定控制器的结构以及和受控对象的连接方式。

然后根据所要求的性能指标确定控制器的参数值。

3.1PID控制器

PID控制技术是在反馈思想被实际应用以后在工业应中发展起来的。

PID控制器早在一百年前就已经出现，经过长时间发展，已经有许许多多改进形式的PID控制器出现，但到目前为止没有一个PID控制器能够适用于所有控制场合。

PID控制器具有结构简单，鲁棒性强等特点，因此，今天它己经成为应用最广泛的控制技术，在石化，化工，造纸等工业领域，甚至有97%的常规控制器都是PID控制器。

3.1.1PID控制器的基本结构

最典型反馈控制系统的方块图如图3-1所示，此系统为单位反馈，其中偏差值e为给定值与测量值的差值，u为控制量，d为系统中扰动量。

图3-1系统结构框图

PID控制器基本可以由以下的传递函数表示：

（3-1）

其中

为比例增益，

为积分时间，

为微分时间。

PID控制器的另一种表示方式也比较常见，称为并行结构（Parallelform），如下所示：

（3-2）

其时域输出方程为：

（3-3）

式（3-1）与式（3-2）实际上可以互相转换，两者参数间的关系如下所式：

，

，

（3-4）

此时，模型的积分时间和微分时间也相应改变，分别为：

，

3.1.2PID控制器各参数的作用

PID控制器包括积分、比例、微分三个部分，分别代表过去，现在，还有未来的控制作用，相应的控制参数,以式（3-1）为例，比例增益

、积分时间

、微分时间

的取值影响到系统控制效果的好坏。

三个部分对系统性能的影响如下所示：

（1）比例作用

引入比例作用是为了即时地反映控制系统的偏差信号，一旦系统出现了偏差，比例调节作用立即生效，使系统偏差快速向减小的趋势变化。

增大比例增益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高控制精度加快调节速度。

但是过大的比例增益会使调节过程出现较大的超调量，从而降低系统的稳定性，在某些严重的情况下，甚至可能造成闭环系统不稳定。

（2）积分作用

引入积分作用是为了使系统消除稳态误差，提高系统的无差度，以保证实现对设定值的无静差跟踪，改善系统的稳态性能。

从原理上看，只要控制系统存在动态误差，积分调节就产生作用，直至无差，积分作用就停止，此时积分调节的输出为常数。

积分作用的强弱取决于积分时间常数

的大小，

越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。

但积分作用的引入同时使信号产生相位滞后，使系统稳定性下降，动态响应变慢。

因此，实际中一般不单独使用积分器，积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI或PID控制器。

（3）微分作用

引入微分作用是为了改善控制系统的响应速度，同时使相位超前，提高系统的相位裕度增加系统的稳定性。

微分作用能反映系统偏差的变化律，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用。

直观而言，微分作用能在偏差还没有形成之前，就已经消除偏差。

因此，微分作用改善系统的动态性能。

微分作用的强弱取决于微分时间

的大小，

越大，微分作用越强，反之则越弱。

此外，微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分作用的输出为零。

在微分作用合适的情况下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。

但是微分作用对噪声干扰有放大作用，而这是我们在设计控制系统时不希望看到的。

所以我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰能力产生不利的影响。

因此，微分器也不能单独使用[4]。

3.1.3过程控制中常见PID参数整定方法

从对象的开环响应曲线来看大多数工业过程都能用一阶惯性加纯滞后（FirstOrderPlusDelayTime）模型来近似描述，简记为FOPDT模型，其传递函数如下所示：

（3-5）

、

、

分别为对象模型的开环增益、纯滞后时间常数和惯性时间常数。

（1）飞升曲线法（阶跃响应法）

将系统开环后（不加入控制环节），给其输入一定幅值的阶跃信号，可得如下图所示的飞升曲线（即阶跃响应曲线）。

在曲线上最大斜率点P处作切线，FOPDT模型的参数如图3-2所示。

图3-2飞升曲线

再根据飞升曲线法的经验公式可得控制器各参数。

飞升曲线法非常方便简洁，只要知道过程对象的函数模型，即可根据公式算得PID控制器的三个参数。

但是飞升曲线法存在一定的弊端。

首先，它难以确定最大斜率处，并且能够利用的系统信息不足；其次，飞升曲线法只限定与FOPDT模型，对象广泛的其他经典过程对象，飞升曲线法则束手无策。

（2）临界振荡法（临界比例度法）

1942年，Ziegler和Nichols提出的另一种参数整定方法叫临界比例度法。

这种方法不像飞升曲线法那样依赖于对象的数学模型，而是通过实验由经验公式得到PID控制器的最优整定参数。

方法如下：

在闭环的情况下，将PID控制器的积分和微分作用先去掉，仅留下比例作用，然后给系统输入一个信号，如果系统响应是衰减的，则需要增大控制器的比例增益

，重做实验；反之则需要减小

。

实验的最终目的，是要使闭环系统做临界等幅振荡，此时的比例增益

就被称为临界增益，记为

而此时系统的振荡周期被称为临界振荡周期，记为

。

然后再根据经验公式得出相应的PID参数[4]。

临界比例度法虽然非常简单易用，在工程上也曾经得到广泛的应用，但是仍然存在许多的缺陷。

首先，对于参数

和

的获取需要花费大量的调试时间；其次，现场实验中存在的不确定影响会给试验数据带来一定甚至关键的噪声，从影响最终的控制品质；最后，对于那些不允许做临界振荡实验的系统，临界比例度法根本无法应用，否则就会导致整个系统崩溃。

3.1.4PID参数整定公式

PID参数自整定包括提取过程动态特性和PID控制器的设计两部分。

为了将复杂的设计过程应用于实际的PID自整定控制器，可以把PID控制器的设计结果表示为一些由过程的简单模型参数或动态特性参数表示的整定公式。

整定公式本身包含了PID控制器的设计过程，可以直接应用于PID自整定控制器中。

其中最为常见的是Ziegler-Nichols整定公式，最早的Z-N公式是在1942年由Ziegler和Nichols首先提出的，他们所使用的方法及其改进方法至今仍在广泛应用，上文所提到的飞升曲线法也是基于Z-N公式的确定PID参数方法。

对于线性时不变系统，如果输入信号是正弦信号，则稳定后输出信号为同频率的正弦信号，只有幅度和相位发生变化。

系统传递函数可以表述为频率的函数:

（3-6）

其中

为输入到输出的幅值增益，

是输入信号与输出信号之间的相移。

图3-3Nyquist曲线

系统的Nyquist曲线如图3-3所示。

曲线上相位为

的点的被称为极限点该点的频率称为临界振荡频率

。

如果在闭环系统中将控制器设为纯比例控制，当比例增益达到足够高时，系统将不稳定。

调节比例增益使系统达到临界状态时，这时控制信号与过程输出都是正弦信号，相位相差

。

简单起见假设设定值SV=0。

则u=-K*PV。

由于系统等幅振荡，可知

，其中临界增益

被称为临界比例系数，

为过程传递函数。

由此方程可知

。

这样，Nyquist曲线上的极限点被确定，系统的频域传递函数就可以通过一次调节试验辨识。

基于以上原理与方法，Ziegler和Nichols提出了除利用阶跃响应法外的另一种PID参数整定方法——频率响应法。

频率响应法也就是上文提到的临界比例度法。

临界比例度法的整定公式如下表3-1所示。

表3-1临界比例度法的整定公式

控制器

P

PI

PID

除了Z-N整定公式外，后人还研究出多种PID参数整定公式，例如RZN整定公式、Kappa-tao整定公式、Cohen-Coon整定公式、AMIGO整定公式等[4]，本文不做深入介绍。

3.2数学模型

被控对象数学模型的建立通常采用下列二种方法。

一种是分析法，即根据过程的机理，物料或能量平衡关系求得它的数学模型；另一种是用实验的方法确定。

图3-4单容自衡水箱特性测试系统

（a）结构图（b）方框图

图3-4所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。

阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q1，改变电动调节阀V1的开度可以改变Q1的大小，下水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q2。

液位h的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。

若将Q1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Q1之间的数学表达式。

根据动态物料平衡关系有

（3-7）

将式（3-7）表示为增量形式

（3-8）

式中：

ΔQ1，ΔQ2，Δh分别为偏离某一平衡状态的增量；A.为水箱截面积。

在平衡时，Q1=Q2，

；

当Q1发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的静压也随之变化，Q2也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线性关系。

但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q2与h成正比关系，而与阀F1-11的阻力R成反比，即

（3-9）

式中：

R.为阀F1-11的阻力，称为液阻。

将式（3-8）、式（3-9）经拉氏变换并消去中间变量Q2，即可得到单容水箱的数学模型为

（3-10）

式中T为水箱的时间常数，T＝RC；K为放大系数，K＝R；C为水箱的容量系数。

若令Q1（s）作阶跃扰动，即

，X0=常数，则式（3-10）可改写为

（3-11）

对上式取拉氏反变换得

（3-12）

当t→∞时，h（∞）-h（0）=KX0，因而有

（3-13）

当t=T时，则有

（3-14）

式（3-12）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3-5（a）所示，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T。

也可由坐标原点对响应曲线作切线OA，切线与稳态值交点A所对应的时间就是该时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。

图3-5单容水箱的阶跃响应曲线

（a）无滞后特性响应曲线（b）具滞后特性响应曲线

如果对象具有滞后特性时，其阶跃响应曲线则为图3-5（b），在此曲线的拐点D处