水箱液位流量串级控制.docx

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水箱液位流量串级控制

设计题目:

水箱液位控制系统的设计

摘要：

随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,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,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求，水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。

系统中由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。

涡轮流量计测流量，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。

流量控制是内环，液位控制是外环。

制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定，通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。

系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始两个闭环系统的调节控制。

关键词：

PLC控制；变频器；PID控制；Wincc组件；上位机

致谢

参考文献

1、设计目的和任务

1.1目的

利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用PLC作为控制器的硬件，设计一个液位控制系统，使得液位能够尽量保持平稳在设定的范围内

通过课程设计，加强对课程的理解与掌握，学会查寻资料、方案比较，以及设计计算及系统调试等环节，初步掌握PLC的硬件设计和软件设计，程序调试等PLC系统的开发过程，进一步提高分析解决实际问题的能力。

1.2主要任务

1了解水箱液位的控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。

2逐一明确检测信号到PLC的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、引入PLC的接线和PLC的编址。

3逐一明确从PLC到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理，驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。

4绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。

5编制PLC程序，结合实验室现有设备进行调试，要求尽量多的在试验设备上演示控制过程。

2、设计方案提出及选择

2.1液位单闭环控制系统

由一个水压力传感器、一个PID控制器、一个控制阀和一个水箱所构成的单闭环控制系统，通过对液位的不断检测、变送，再于设定值的比较，求得偏差去调节进水流量，以达到水位达平稳。

2.2液位流量串级控制系统

串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量为水箱液位；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量为进水流量，是为了稳定主变量（液位）而引入的辅助变量。

由于本实验要求液位能够尽量保持平稳在设定的范围内，对液位的要求比较高，在这种情况下,水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位最后能保持设定值，液位单闭环控制系统已经难以满足控制要求，难以达到实现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。

3、液位串级控制系统组成结构

3.1串级控制系统的组成

本实验装置主要包含水箱、压力变送器、流量变送器、西门子S7-300PLC控制系统、SA01电源控制屏、变频器、软件为西门子S7系列PLC编程软件、西门子WinCC监控组态软件。

系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。

它采用模块化设计，本系统主要包括CPU模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。

3.1.1硬件介绍

被控对象

水箱：

供水系统有两路：

一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（220V变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；

检测装置

压力传感器、变送器：

三个压力传感器分别用来对上、中、下三个水箱的液位进行检测，其量程为0~5KP，精度为0.5级。

采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24V直流电源，输出：

4~20mADC。

流量传感器、变送器：

三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。

它的优点是测量精度高，反应快。

采用标准二线制传输方式，工作时需提供24VDC。

流量范围：

0~1.2M，精度：

1.0%；输出：

4~20mADC。

控制屏

SA-01电源控制屏面板：

合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示380V左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。

此时打开照明开关、变频器开关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。

按下启动按钮，停止按钮灯熄，启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相Ⅰ、单相Ⅱ、单相Ⅲ空气开关即可提供相应电源输出，作为其他设备的供电电源。

执行结构

变频器：

SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频器，控制信号输入为4～20mADC或0～5VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱动泵。

三相磁力驱动泵（220V变频调速）：

本装置采用两只磁力驱动泵,一只为三相380V恒压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。

控制器

西门子S7-300PLC控制系统：

西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC，包括一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。

其中SM331为8路模拟量输入模块，SM332为4路模拟量输出模块。

3.1.2软件介绍

西门子S7系列PLC编程软件：

本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step7编程软件。

利用这个软件可以对相应的PLC进行编程、调试、下装、诊断。

西门子WinCC监控组态软件：

S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能的产物。

作为一个国际先进的人机界面（HMI）软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。

图1源控制屏示意图

3.2系统总貌图

图2实验室高级过程控制系统实物仿真

4、设计方案的控制流程图和电气原理图

4.1水箱液位串级控制系统的结构图设计

本实验以液位为控制目标，所以以水箱液位为主控参数、进水流量为副被控参数

Lsp：

液位设定值

LC：

液位控制器

FC：

流量控制器

LT：

水压力变送器

FC：

流量变送器

图3水箱液位流量串级控制系统的结构图

4.2水箱液位串级控制系统框图的设计

水箱液位流量控制系统图如图3所示，在这里，执行机构是水泵，由PLC经过PID算法后控制变频器以控制水管里的水流量，控制水箱的水位。

该系统有两个控制回路：

主控制回路为液位控制，副控制回路为流量控制，主副调节器串联工作，其中液位控制有独立的给定值Lsp，它的输出值作为副调节器的设定值，副调节器的输出值控制执行器（变频器），以改变主参数OUT。

外环为液位环

内环为流量环

Gfc：

液位控制器

Gfc：

流量控制器

Gm1：

水压力变送器

Gm2：

流量变送器

控制阀：

变频器和水泵

Gp：

水箱

图4水箱液位流量串级控制系统框图

4.3电气原理图的设计

4.3.1PLC模块选择原则

模块

连接设备

控制信号

所需数量

AI模块

水压力变送器

1~5V

2个通道

流量变送器

1~5V

AO模块

变频器

4~20mA

1个通道

DI模块

手动开关

开关量

1~2个通道

DO模块

故障显示

开关量

1~２个通道

4.3.2电气原理图的设计

图5液位流量制系统电气原理图

5、系统工作原理

5.1水箱工作原理

水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路的调节器称主调节器，控制对象为水箱，水箱的液位为系统的主控制量，副控制回路中的调节器称副调节器，流入水箱的流量作为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直接调节电磁阀的转速，改变进入水箱的泵的流量，从而达到控制水箱液位的目的；在该控制系统中，由于水箱存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。

串级控制是改善调节过程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。

采用一步整定法，通过WINCC组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到主、副回路的最佳整定参数。

5.2PID控制工作原理

比列环节对过程的影响：

比例度δ越大，放大倍数Kc越小，最大偏差增大，调节周期增长，稳定性增加；

积分环节对过程的影响：

Ti越小，克服余差的能力提高，最大偏差减小，调节周期缩短：

但是过渡过程震振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，振荡倾向就越强烈，甚至会成为不稳定的发散振荡。

微分环节对过程的影响：

主要是对控制系统的振荡的抑制，改善调节过程中的动态特性，克服滞后，通常和比例、比例微分配合使用。

比例度越大，放大倍数越小，积分时间越长，积分作用越弱，微分时间越长，微分作用越强

6、软件流程图及程序的编写

这是一个将int型数据变换为real型数据的变换，为数据的变换做准备，保存为FC1

PLC的AI模块的PIW256对应的是液位的检测，将检测值送入PLC内

将PIW256口的数据变换为real型

由于采集来的数据可能为负数，通过该语句将小于0的数据过滤掉

将过滤后的数据转化为0~100之间的数据，即用采集来的数据乘于系数0.003617。

最后将值保存到MD24中

PLC的AI模块的PIW260对应的是流量的检测，将检测值送入PLC内

将PIW260口的数据变换为real型

由于采集来的数据可能为负数，通过该语句将小于0的数据过滤掉

将过滤后的数据转化为0~100之间的数据，即用采集来的数据乘于系数0.003617。

最后将值保存到MD36中

这是液位控制环的PID控制器的设计，其中SP为液位给定信号，我们通过计算机设定，设定值存放在MD50中；PV为控制变量（即液位检测、反馈），数据存放在MD24中，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，送给负环，作为流量环的输入

这是流量控制环的PID控制器的设计，其中SP为液位环的输出，存放在MD28中，PV为控制变量（即流量的检测、变送），存放在MD36中，它们的差是PID调节器的输入偏差信号，经过PLC的PID程序运算后输出，调节器的输出信号LMN经过PLC的D/A转换成4~20mA的模拟电信号后输出到变频器的输入，通过变换水泵的频率以控制进水的流量，使水箱的液位保持设定值。

水箱的液位经过水压力变送器检测转换成相关的电信号输入到PLC的输入接口，再经过A/D转换成液位环的控制量PV，给定值SP与控制量PV经过PLC的CPU的减法运算成了偏差信号e,又输入到PID调节器中，又开始了新的调节。

所以系统能实时地调节水箱的液位。

执行机