基于PLC的液位控制系统设计文档格式.docx
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工业生产过程控制是现代工业自动化的一个重要领域。
它是控制理论、生产工艺、计算机技术和仪器仪表等知识相结合的一门综合性应用学科，理论性、综合性和实践性都很强。
随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重。
在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。
在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段,它们是：
分散控制阶段,集中控制阶段和集散控制阶段。
几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。
目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统（CIMS）：
以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。
第1章液位控制系统总体方案设计
1.1单回路控制系统
图1.1单回路控制系统方框图
图1.1为单回路控制系统方框图的一般形式，它是由被控对象、执行器、调节器和
测量变送器所组成。
系统的给定量是一定值，要求系统的被控制量等于给定量所要求的值。
由于这种系统结构简单，性能较好，调试方便等优点，故在工业生产中被广泛应用。
选择合适的系统调节规律，能使调节器与调节对象能很好地匹配，使组成的控制系统有更高的动、静态性能指标。
1．比例（P）调节
纯比例调节器是一种最简单的调节器，它对控制作用和扰动作用的响应都很快速。
由于比例调节只有一个参数，所以整定很方便。
这种调节器的主要缺点是使系统有静差存在。
2．比例积分（PI）调节
PI调节器的积分部分能使系统的类型数提高，有利于消除静差，但它又使PI调节器的相位滞后量减小，系统的稳定性变差，其传递函数为（1.1）
GC（S）=KP（1+
）（1.1）
这种调节器在过程控制中是应用最多的一种调节器。
3．比例微分（PD）调节
这种调节器由于有微分的作用，能增加系统的稳定度，比例系数的增大能加快系统的调节过程，减小动态和静态误差，但微分不能过大，以利于抗高频干扰。
PD调节器的传递函数为（1.2）
GC（S）=KP（1+TDS）（1.2）
4．比例微分积分（PID）调节器
PID是常规调节器中性能最好的一种调节器。
由于它具有各类调节器的优点，因而使系统具有更高的控制质量。
它的传递函数为（1.3）
+TDS）（1.3）
本实验系统的被控对象为上水箱，其液位高度作为系统的被控制量。
系统的给定信号为一定值，它要求被控制量上水箱的液位在稳态时等于给定值。
由反馈控制的原理可知，应把上水箱的液位经传感器检测后的信号作为反馈信号。
图1.2为控制系统的方框图。
图1.2上水箱液位定值控制方框图
1.2水箱液位的串级控制系统
图1.3液位串级控制系统的方框
本实验为水箱液位的串级控制系统，它是由主、副两个回路组成。
每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象，即主回路中的调节器称主调节器，控制对象为下水箱，作为系统的被控对象，下水箱的液位为系统的主控制量。
副回路中的调节器称副调节器，控制对象为中水箱，又称副对象，它的输出是一个辅助的控制变量。
本系统控制的目的不仅使系统的输出响应具有良好的动态性能，且在稳态时，系统的被控制量等于给定值，实现无差调节。
当有扰动出现于副回路时，由于主对象的时间常数大于副对象的时间常数，因而当被控制量（下水箱的液位）未作出反映时，副回路已作出快速响应，及时地消除了扰动对被控制量的影响。
此外，如果扰动作用于主对象，由于副回路的存在，使副对象的时间常数大大减小，从而加快了系统的响应速度，改善了动态性能。
图1.3为相应控制系统的方框图。
，图4为实验系统的结构图
图1.4液位串级控制系统的结构图
第2章过程控制装置概述
2.1系统简介
“TkJ-2型高级过程控制系统实验装置”是基于工业过程的物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置，该装置是本企业根据自动化及其它相关专业教学的特点，吸收了国内外同类实验装置的特点和长处，经过精心设计，多次实验和反复论证，推出了一套全新的实验装置，该系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识，单回路控制，串级控制，前馈—反馈控制，解耦控制等多种控制形式。
1、系统组成
本实验装置由被控对象和控制柜两部分组成。
系统动力支路分两路：
一路由单相磁力驱动泵、电动调节阀（气动调节阀）、直流电磁阀、电磁流量计及手动调节阀等组成；
另一路由西门子变频器、磁力驱动泵、涡轮流量计及手动调节阀等组成。
2、被控对象
由不锈钢储水箱、四个有机玻璃圆筒形水箱、4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭式外循环不锈钢冷却锅炉夹套构成）、冷热水交换盘管和敷塑不锈钢管道组成。
3、水箱
包括左上、左下、右上、右下四个水箱和储水箱。
四个水箱采用优质无色透明的有机玻璃，便于学生直接观察液位的变化和记录结果。
上、下水箱可以组合成一阶、二阶、液位单回路控制实验和双闭环等实验。
储水箱是采用不锈钢板制成，尺寸为：
长×
宽×
高=68cm×
52㎝×
43㎝完全能满足上、下水箱的实验需要。
2.2系统装置
1、检测装置
（1）压力传感器、变送器
本装置有一套西门子7MF4□33系列SITRANSP-DSIII压力/差压变送器，PROFIBUS-PA通讯；
四套国产的扩散硅压力变送器，精度为0.5级，4—20mA电流（须外供24V直流电源）。
（2）流量传感器、转换器
本装置采用一套西门子的SITRANSFMMAGFLO电磁流量计电磁流量计，PROFIBUS-PA通讯。
和三套国产涡论流量计传感器分别用来对电动调节阀支路、变频支路及盘管出口支路的流量进行测量。
涡轮流量计型号：
LWGY-10，流量范围：
0～1.2m3/h，精度：
1.0%。
输出：
4～20mA标准信号。
2、执行机构
（1）气动调节阀
气动调节阀如图5所示，由阀门定位器、执行机构、支架、阀体等组件构成。
气动阀的基本原理是高压气（由空气压缩机提供）推动执行机构来实现阀门的开关，而进气量的多少和阀门的开度由阀门定位器控制。
a气动调节阀b空气压缩机
图2.1气动调节阀和空气压缩机
（2）水泵
本装置采用磁力驱动泵，型号为16CQ-8P，流量为32升/分，扬程为8米，功率为180W。
泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。
本装置采用两只磁力驱动泵。
一只为单相恒压驱动，另一只为变频220V输出驱动。
（3）电磁阀
在本装置中作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。
电磁阀型号为：
2W-160-25；
工作压力：
最小压力为0Kg/㎝2，最大压力为7Kg/㎝2；
工作温度：
－5～80℃。
3、控制器
本实验装置的控制装置有FCS和DCS两种控制柜，FCS控制系统主要由西门子S7-300PLC及其相关模块组成；
DCS控制系统由和利时的FM801主控单元组成。
这两种控制方式可通过航空插座转换箱切换。
2.3S7-300PLC控制柜的组成
S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。
系统如图2.2。
图2.2S7-300控制系统示意图
1、电源部分
控制柜上边为电源部分，最上面第一排依次为电源总空气开关、三相空气开关、单相空气开关、电压指示灯、电压指示表。
三相空气开关是锅炉加热元件的电源开关，做温度实验时须合上此开关，除此现场的其他设备均为单相供电或24V直流供电，做实验时一定要先合上电源总开关，再合上单相开关。
第二排依次为24V/S7-300电源开关、主泵电源开关、变频器电源开关、电动调节阀电源开关、电磁阀电源开关等。
2、控制器
西门子S7-300PLC，型号为CPU315-2DP，它集成了MPI接口，可以很方便的在PLC站点、操作站OS、编程器PG、操作员面板建立较小规模的通讯。
它还集成了PROFIBUS-DP接口，通过DP可以组建更大范围的分布式自动化结构。
工作电压：
DC24V
通讯模块：
CP5611
3.3模拟量输入输出模块
采用西门子集成模拟量输出模块。
输出控制信号至远程I/O模块。
规格：
2×
12BITAO
工作方式：
0-20mA、4-20mA,+/-10V、0-10V。
本系统采用2路4-20mA电流输出，接线时要注意。
3、DP链路
采用西门子DPLinK和DP/PA耦合器组成，工作电压为DC24V。
液位控制系统平台是以西门子S7—300PLC构成的基于PROFIBUS现场总线的过程控制系统，其核心部件是西门子S7—300PLC作为PROFBUS-DP主站，其他器件有分布式I/OIM153-1、DP/PA连接器IM153-2、DP/PA耦合器FDC157-0和变频器构成DP从站。
其中IM153-2和FDC157-0通过背板总线连接构成的DP从站、同时构成了PROFIBUS-PA主站，而基于PA总线的气动阀和流量计作为PA智能从站接到DP/PA耦合器FDC157-0上。
第3章硬件组态设计
3.1PLC的选择
随着PLC的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。
近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。
PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。
因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。
1、机型的选择
PLC机型选择的基本原则是，在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格比的最优化机型。
在工艺过程比较固定、环境条件较好（维修量较小）的场合，建议选用整体式结构的PLC；
其它情况则最好选用模块式结构的PLC。
2、输入/输出的选择
通过I/O接口模块可以检测被控生产过程的各种参数，并以这些现场数据作为控制信息对被控对象进行控制。
同时通过I/O接口模块将控制器的处理结果送给被控设备或工业生产过程，从而驱动各种执行机构来实现控制。
PLC从现场收集的信息及输出给外部设备的控制信号都需经过一定距离，为了确保这些信息的正确无误，PLC的I/O接口模块都具有较好的抗干扰能力。
根据实际需要，一般情况下，PLC都有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其它一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
3、PLC存储器类型及容量选择
PLC系统所用的存储器基本上由PROM、E-PROM及PAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的最大存储能力低于6kB，中型机的最大存储能力可达64kB，大型机的最大存储能力可上兆字节。
使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
3.2组态硬件
图3.1硬件组态图
一旦创建了一个有SIMATIC站的项目，就可以组态硬件了。
这些组态数据以后可以通过下载（downloading）传送到可编程控制器。
在开始处打开的SIMATICManager及“gettingstarted”项目。
打开SIMATIC300STATION文件夹双击hardware（硬件）符号。
进入“HwConfig”窗口如图3.1所示：
要在一个项目内修改模版参数（例如地址），双击该模版。
但是 ，你只能修改这样一些参数，即，你确实了解这些参数的修改会对你的可编程控制器产生什么样的影响。
对于本实验所有参数均使用默认值。
第4章软件组态设计
4.1实现WINCC与s7-300的软件通讯
1、建立变量连接
在wincc资源管理器pid/变量管理器／SIMATICS7PROTOCOLSUITE／MPI/PID子目录下创建PID控制器的一系列变量：
在右边窗口点击右键选“新建变量”打开如图4.1所示窗口。
在名称中输入SP，数据类型选择浮点数32位IEEE754，点击地址右边的“选择”方框，设置变量SP在STEP7中的数据块号及对应的地址，如图4.2所示
图4.1变量属性对话框图4.2地址属性对话框
同样地，建立其它变量（注意：
每一个变量设置的地址必须与其在STEP7种的地址一致），生成图4.3所示窗口：
图4.3变量
2、wincc组态界面
图4.4设计选择界面
图4.5一阶单容下水箱液位PID整定的组态图
图4.6双容上下水箱串级PID控制组态图
4.2程序设计
第5章调试过程及结果分析
5.1单容液位控制系统调试结果及分析
1、调节器参数的整定方法
调节器参数的整定一般有两种方法：
一种是理论设计法，即根据广义对象的数学模型和性能要求，用根轨迹法或频率法来确定调节器的相关参数，另一种方法是工程实验法，通过对典型输入响应曲线所得到的特征量，然后查照经验表，求得调节器的相关参数。
工程实验整定法有以下四种：
（1）经验法
若将控制系统液位、流量、温度和压力等参数来分类，则属于同一类别的系统，其对象往往比较接近，所以无论是控制器形式还是所整定的参数均可相互参考。
表1为经验法整定参数的参考数据，在此基础上，对调节器的参数作进一步修正。
若需加微分作用，微分时间常数按TD=（
～
）TI计算。
表1经验法整定参数
系统
参数
δ（%）
TI（min）
TD（min）
温度
20～60
3～10
0.5～3
流量
40～100
0.1～1
压力
30～70
0.4～3
液位
20～80
（2）临界比例度法
这种整定方法是在闭环情况下进行的。
设TI=∞，TD=0，使调节器工作在纯比例情况下，将比例度由大逐渐变小，使系统的输出响应呈现等幅振荡，如图5.1
图5.1具有周期TS的等幅振荡
所示。
根据临界比例度δS和振荡周期TS，按表二所列的经验算式，求取调节器的参考参数数值，这种整定方法是以得到4：
1衰减为目标。
表2临界比例度法整定调节器参数
调节器参数
调节器名称
δS
Ti（S）
Td（S）
P
2δS
PI
2.2δS
TS/1.2
PID
1.6δS
0.5TS
0.125TS
临界比例度法的优点是应用简单方便，但此法有一定限制。
从工艺上看，允许受控变量能承受等幅振荡的波动，其次是受控对象应是二阶和二阶以上或具有纯滞后的一阶以上环节，否则在比例控制下，系统是不会出现等幅振荡的。
在求取等幅振荡曲线时，应特别注意控制阀出现开、关的极端状态。
（3）阻尼振荡法（衰减曲线法）
在闭环系统中，先把调节器设置为纯比例作用，然后把比例度由大逐渐减小，加阶跃扰动观察输出响应的衰减过程，直至出现图5.2所示的4：
1衰减过程为止。
这时的比例度称为4：
1衰减比例度，用δS表示之。
相邻两波峰间的距离称为4：
1衰减周期TS。
根据δS和TS，运用表3所示的经验公式，就可计算出调节器预整定的参数值。
图5.24：
1衰减曲线法图形
表3阻尼振荡法计算公式
调节器参数
1.2δS
0.8δS
0.3TS
0.1TS
（4）反应曲线法
如果被控对象是一阶惯性环节，或具有很小滞后的一阶惯性环节，若用临界比例度法或阻尼振荡法（4：
1衰减）就有难度。
对于这种情况，可采用下述的反应曲线法来整定调节器的参数。
图5.3为实验系统的方框图。
令调节器的输出X（t）为阶跃信号，则
图5.3实验系统方框图
对象经测量变送器后的输出Y（t），如图5.4所示。
由该图可确
图5.4阶跃响应曲线
定τ、T和K，其中K按下（5.1）确定
K=
（5.1）
根据所求的K、T和τ，利用下表所示的经验公式，就可计算出对应于衰减率为4：
1时调节器的相关参数。
表4经验计算公式
TI
TD
×
100%
1.1
3.3τ
0.85
2τ
0.5τ
2、实验结果
经过整定后，实验最终稳态如下图5.5所示：
图5.5一阶单容下水箱液位PID整定结果
3、结果分析
当比例比较大时，响应很快，但系统不稳定，比例小时，系统响应太慢，积分时间长时，余差比较大，积分时间越小，积分作用越强。
微分时间长时，微分作用越强，微分时间越短，微分作用越弱。
在经过多次调节，反复试验后，得出在比例系数为2，积分时间为20ｓ，微分时间为10ｓ时，得到的结果比较好。
5.2双容串级液位控制系统调试结果及分析
1、串级控制系统
概念：
由两个调节器串联在一起，控制一个执行阀，实现定值控制的控制系统。
串级调节系统中常用的几个术语：
图5.6串级调节系统的方块图
主参数（主被控变量
）：
生产工艺过程中主要控制的工艺指标，在串级调节系统中起主导作用的那个被调参数即为主参数。
副参数（付被控变量
影响主参数的主要变量和中间变量
主被控对象（
为生产中所要控制的，由主参数表征其主要特性的工艺生产设备。
一般指副参数检测点到主参数检测点的全部工艺设备。
副被控对象（
调节阀到付参数测量点之间的工艺设备。
主调节器（
在系统中起主导作用，为恒定主参数设置的调节器。
主调节器，按主参数与给定值的偏差而动作，其输出作为付参数的给定值。
副调节器（
给定值由主调节器的输出所决定，输出直接控制阀门。
主回路：
把付回路等效起来看的整个回路
副回路：
断开主环时，由付调节器，调节阀，付对象，付测量元件组成的内环
经过整定后，实验最终稳态如下图5.7所示：
图5.7双容上下水箱串级PID控制
3结果分析
PID的整定方法与前一设计调试方法相同，本设计采用串级PID控制，牺牲了副控（上水箱液位）的稳定性来保证主控（下水箱液位）的稳定性。
第6章课程设计总结
原来以为现场总线系统差不多学会了，现在通过课程设计才知道自己真正懂的还是很少。
特别是当在自己到手进行系统组态时，感觉无从下手，这就说明我对PLC的FCS系统框架不清楚。
所以我就看别人组态好的程序，对照他的思路自己学着进行系统的软硬件设计。
同时为了更好的理解西门子的PROFIBUS现场总线，我查阅了大量资料，了解了PROFIBUS结构、DP和PA的区别与联系，特别是知道了西门子DP网络和PA网络是通过FDC157-0耦合器连接的，以及耦合器单机运行，耦合器与连接器IM153-2配合运行两种运行方式的区别。
在硬件组态时也体现出来，耦合器是透明工作，不需要分配地址，而连接器则是不透明工作需要分配地址。
在编写程序过程同样遇到很多问题，我就请教邓老师，查阅资料，慢慢的自己也会编写程序了。
在这次课程设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。
总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。
最后终于做完了有种如释重负的感觉。
此外，还得出一个结论：
知识必须通过应用才能实现其价值！
有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在此要感谢我们的指导老师邓老师对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。
在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，收获很多。
在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有很大帮助。
而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。
虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次课程设计的最大收获。
[1]中科院自动化研究所，SIMATICWINCCV5.0使用入门
[2]孙传友 孙晓梹等，测控系统原理与设计，北京航空航天大学出版社
[3]廖常初，S7-300/400PLC应用技术，机械工业出版社
[4]董景新等，控制工程基础，清华大学出版社
[5]钱清泉，信息时代的监控系统计其产业化发展，西南交通大学
[6]沈德胜，PLC应用开发实用子程序，人民邮电出版社
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