plc液位控制系统课程设计方案组.docx

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plc液位控制系统课程设计方案组

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

中国计量学院《过程控制工程设计课程设计》报告书写说明书

基于PLC的PID液位控制系统

组员姓名：

组员学号：

专业班级：

分院：

中国计量学院

二0一一年五月二十四日

摘要

本次课程设计的课题是基于PLC的PID液位控制系统的设计。

本文的主要内容包括：

PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析,西门子SIEMENSS7-300PLC的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。

经过比较，发现西门子的PLC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。

，我们选择西门子。

本份报告主要针对系统控制方案的设计和硬件选型，其余部分由其他组员负责。

附录软件程序。

除去附录目录等共13页。

关键词：

西门子SIEMENSS7-300PLC，控制对象特性，PID控制算法，硬件选型。

目录

摘要

1绪论

1.1PLC的定义

1.2本文研究的主要目的

1.3本文研究的主要内容

2西门子SIEMENSS7-300PLC和控制对象介绍

2.1西门子SIEMENSS7-300介绍

2.1.1CPU模块

2.1.2I/O模块

2.1.3电源模块

2.2控制对象介绍

2.2一阶单容上水箱对象特性

2.3二阶双容下水箱对象特性

3串级控制系统

3.1串级控制

3.1.1串级控制系统的结构

3.1.2串级控制系统的特点

3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定

3.2PID参数

3.2.1扩充临界比例度法

4控制方案设计

4.1系统设计

4.1.1上水箱液位的自动调节

4.1.2上水箱下水箱液位串级控制系统

4.2硬件设计

4.2.1检测元件

4.2.2控制元件

4.2.3控制单元

4.2.4软件连接

4.3软件涉及

附录软件程序

参考文献

1绪论

1.1PLC的定义

国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。

该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

1.2本文研究的主要目的

为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。

从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。

在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。

一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。

随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以我们就又引入了可编程逻辑控制（又称PLC）。

引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。

液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。

它使在控制中更加的安全，节约了更多的劳动力，更多的时间。

在我国随着社会的发展，很早就实行了自动控制。

而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛，特别在锅炉液位控制，水箱液位控制。

还在黄河治水中也的到了利用，通过液位控制系统检测黄河的水位的高低，以免由于黄河水位的过高而在不了解的情况下，给我们人民带来生命危险和财产损失。

1.3本文研究的主要内容

一、一阶单容上水箱特性。

二、二阶双容水箱对象特性。

三、PID串级控制系统的设计

2西门子SIEMENSS7-300介绍

2.1西门子SIEMENSS7-300介绍

简介：

●模块化中小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用

●大范围的各种功能模块可以非常好地满足和适应自动控制任务

●由于简单实用的分散式结构和多界面网络能力，使得应用十分灵活

●方便用户和简易的无风扇设计

●当控制任务增加时，可自由扩展

●由于大范围的集成功能使得它功能非常强劲

S7-300是模块化中小型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。

结构示意图

PLC的原理图

2.1.1CPU模块

CPU是PLC的核心组成部分，与通用微机的CPU一样，它在PLC系统中的作用类似于人体的神经中枢，故称为“电脑”。

其功能是：

1、PLC中系统程序赋予的功能，接收并存储从编程器输入的用户程序和数据。

2、用扫描方式接受现场输入装置的状态，并存入映像寄存器。

3、诊断电源、PLC内部电路工作状态和编程过程中的语法错误。

在PLC进入运行状态后，从存储器中逐条读去用户程序，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去起闭有关控制电路。

2.1.2I/O模块

I/O模块是CPU与现成I/O装置或其他外部设备之间的连接部件。

PLC提供了各种操作电平与驱动能力的I/O模块和各种用途I/O元件供用户选用。

如输入/输出电平转换、电气隔离、串/并行转换、数据传送、误码校验、A/D或D/A变换以及其他功能模块等。

I/O模块将外部输入信号变换成CPU能接受的信号，或将CPU的输出信号变换成需要的控制信号去驱动控制对象，以确保整个系统正常的工作。

其中输入信号要通过光电隔离，通过滤波进入CPU控制板，CPU发出输出信号至输出端。

输出方式有三种：

继电器方式、晶体管方式和晶闸管方式。

2.1.3电源模块

根据PLC的设计特点，它对电源并无特殊需求，它可使用一般工业电源。

2.2一阶单容上水箱对象特性

所谓单容过程，是指只有一个贮蓄容量的过程。

单容过程还可分为有自衡能力和无自衡能力两类。

一、自衡过程的建摸

所谓自衡过程，是指过程在扰动作用下，其平衡状态被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠起自身重新恢复平衡的过程。

液位过程，图2.2所示为一个单容液位被控过程，其流入量，改变阀1的开度可以改变的大小。

其流出量为，它取决于用户的需要改变阀2开度可以改变。

液位h的变化反映了与不等而引起贮罐中蓄水或泄水的过程.若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与之间的数学表达式。

图2.2液位被控过程及其阶跃响应

根据动态物料平衡关系有

（2-1）

将公式（2-1）表示成增量式为

（2-2）

式中：

、、——分别表示为偏离某一平衡状态、、的增量；A—贮蓄截面积。

在静态时，，；当发生变化时，液位h随之变化，贮蓄出口处的静压随之变化，也发生变化。

由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h与流量之间为非线形关系。

但为了简化起见，经线形变化，则可近似认为与h成正比关系，而与阀2的阻力成反比，即

（2-3）

式中：

——阀2的阻力，称为液阻。

为了求单容过程的数学模型，需消去中间变量。

消去中间变量的方法很多，如可用代数代换法，可用信号流图法，也可用画方框图的方法。

这里，介绍后一种方法。

将式（2-2）、式（2-3）拉氏变换后,画出图2.3方框图。

图2.3方框图

单容液位过程的传递函数为

（2-4）

式中：

——过程的时间常数，；

——过程的放大系数，；

C—过程的容量系数，或称过程容量。

被控过程都具有一定贮存物料或能量的能力，其贮存能力的大小，称为容量或容量系数。

其物理意义是：

引起单位被控量变化时被控过程贮存两变化的大小。

从上述分析可知，液阻不但影响过程的时间常数，而且还影响过程的放大系数，而容量系数C仅影响过程的时间常数。

在工业生产过程中，过程的纯时延问题是经常碰到的。

如皮带运输机的物料传输过程，管道输送、管道反应和管道的混合过程等。

下面以图2.4为例讨论纯时延过程的建模。

图2.4纯时延单容过程及其响应曲线

图2.4所示，流量通过长度为l的管道流入贮罐。

当进水阀开度产生扰动后，需要流经管道长度为l的传输时间后才流入贮罐，才使液位h发生变化。

具有纯时延单容过程的阶跃响应曲线如图2.4曲线2所示，它与无时延单容过程的阶跃响应曲线在形状上完全相同，仅差一纯时延。

具有纯时延单容过程的微分方程和传递函数为

（2-5）

式中：

——过程的时间常数，；

——过程的放大系数，；

——过程的纯时延时间。

二阶双容下水箱对象特性

在工业生产过程中，被控过程往往是由多个容积和阻力构成，这种过程称为多容过程。

现在，以具有自衡能力的双容过程为例，来讨论其建立数学模型的方法。

图2.6（a）所示为两只水箱串联工作的双容过程。

其被控量是第二只水箱的液位，输入量为与上述分析方法相同，根据物料平衡关系可以列出下列方程

（2-9）

为了消去双容过程的中间变量、、，将上述方程组进行拉氏变换，并画出方框图如2.7所示。

双容过程的数学模型为（2-10）

式中：

——第一只水箱的时间常数，；

——第二只水箱的时间常数，；

——过程的放大系数，；

——分别是两只水箱的容量

3串级控制系统及PID参数

3.1串级控制

随着现代工业生产的迅速发展，对于某些比较复杂的过程或者生产工艺、经济效益、安全运行、环境保护等要求更高的场合，单回路控制系统往往不能满足其需求。

为了提高控制品质，在单回路控制方案的基础上，开发出了串级控制系统。

3.1.1串级控制系统的结构

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。

结构图如图3.1所示。

图3.1串级控制系统方框图

前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。

整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。

一次扰动：

作用在主被控过程上的，而不包括在副回路范围内的扰动。

二次扰动：

作用在副被控过程上的，即包括在副回路范围内的扰动。

3.1.2串级控制系统的特点

在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。

副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。

其特点有以下几点：

一、改善了过程的动态特性，提高了系统控制质量。

二、能迅速克服进入副回路的二次扰动。

三、提高了系统的工作频率。

四、对负荷变化的适应性较强。

3.1.3主、副调节器正反作用方式的确定

一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈，及其主通道各环节放大系数极性乘积必须为正值。

串级控制系统有两个回路，主、副调节器作用方式的确定原则是要保证两个回路均为负反馈。

确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式，然后再确定主调节器的作用方式。

各环节放大系数极性的正负是这样规定的：

对于调节器，当测量值增加，调节器的输出也增加，则为负值（即正作用调节器）；反之，为正（即反作用调节器）。

调节阀为气开。

则为正，气关为负。

过程放大系数极性是：

当过程的输入增大时，即调节阀开大，其输出也增大，则为正，反之，为负。

在图3.1的串级控制系统框图中可以看到，由于副回路可以简化成一个正作用方式环节，主对象作用方式为正，主测量变送环节为正。

根据单回路控制系统设计中