水箱液位单回路控制系统.docx
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水箱液位单回路控制系统
水箱液位单回路控制系统
一、控制目的
根据设定的控制对象和管道配置，运用计算机和INTOUCH组态软件，设计一套监控系统，并通过调试使得水箱液位维持恒定或保持在一定的误差范围内。
二、性能要求
1、要求水箱液位恒定，液位设定值SP自行给定。
2、无扰动时，水压基本恒定，由变频器控制水泵实现。
3、扰动因数：
水箱出水流量允许波动。
4、预期性能：
响应曲线为衰减震荡；允许存在一定误差。
调整时间尽可能短。
三、方案设计、控制规律选择
简单控制系统一般是单回路控制系统。
由于其结构简单并且能够满足大多数控制质量的要求，因此在生产过程控制中得到了广泛的应用，是生产过程控制中最基本的一种控制系统。
一个单回路反馈系统是由测量变送器装置、控制器、和被控对象所组成，按其被控变量类型的不同可以分为温度控制系统、压力控制系统、流量控制系统、液位控制系统等。
控制系统设计时针对某一特定生产对象进行的，当系统安装完成之后，控制效果主要取决于控制器的参数设定整定。
选择合适的比例度、积分时间、微分时间是保证和提高系统控制质量的主要途径。
单回路水箱的原理，系统地输入变量为进水阀门、出水阀门的开度，输出变量为水箱液位。
单回路PID控制的被控制量是水位，控制量是进水门、出水门开度。
通过调节PID控制器的比例增益、积分时间、微分时间三个参数得到比较好的控制效果。
PID调节器构成的闭环控制回路一般原理如图1所示
图1控制系统方框图
控制系统草稿图如图2
图2
控制规律选择：
目前工业上常用的控制规律主要有：
比例控制、比例积分控制和比例积分微分控制等。
本方案采用比例积分微分控制。
比例控制——克服干扰能力强、控制及时、过渡时间短。
是最基本的控制规律。
但在终了时会存在余差，负荷变化越大余差越大。
使用于滞后较小、负荷变化不大、允许被控变量存在余差的场合。
比例积分控制——在比例作用下引用积分作用，虽然会使系统的稳定性降低，但没有余差。
适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、不允许被控变量存在余差的场合。
比例微分控制——引入了微分作用，具有超前控制作用，在被控对象具有较大滞后时，会有效的改善控制质量。
但对于滞后小干扰作用频繁，含有高频噪声的系统，将可能使系统产生振荡，甚至失控。
比例积分微分控制——综合了比例、积分、微分控制规律的优点。
适用于容量滞后较大、负荷变化大、控制要求高的场合。
该方案的控制目标是使水位达到平衡状态，通过控制电动调节阀改变阀门开度，来控制流量的大小，从而来控制水位。
选择阀门开度为控制量，水位为被控量。
控制规律选择PID控制规律。
四、测要求试：
1．使用INTOUCH组态软件。
2．采用计算机控制方式和PID控制规律。
3．设计出比较完整的控制画面。
画面包括被控水箱、储水箱、电动调节阀、管道及其开关型电磁阀、流量检测仪表及显示、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。
4．设计出采用PID控制规律的脚本程序。
5．要求系统具备如下手动控制功能：
控制电磁阀开通和关闭、通过直接给定控制电动调节阀开度。
6．要求系统具备如下自动控制功能：
控制电磁阀开通和关闭、通过闭环PID运算结果控制电动调节阀开度，允许在线实时调整PID参数和水位给定值。
7．能够正确识别有关仪表和智能模块，按照I/O设定完成控制台上所用I/O接线。
8．能够通过OPCLINK完成INTOUCH组态软件和Kingview组态软件的实际连接。
9．能够手动投运系统，实现手动功能。
如有问题，能够修正设计。
10．能够自动投运系统，实现自动控制功能。
如有问题，能够修正设计。
11．运行结果必须实现控制目的。
五、仪表及模块：
1．装置柜：
含被控对象―水箱、管道（直径4”）、仪表、供水设备、开关电磁阀和电动调节阀等。
2．控制台：
含接线端子、485总线模块、控制电源。
3．计算机。
4．组态软件。
压力传感器:
：
压力传感器用来对管道压力进行检测，采用工业用的DBYG扩散硅压力传感器，本传感器按标准的二线制传输，稳定性好，可靠性高。
可方便与其他DDZ—ⅢX型仪表互换配置,并能直接替换进口同类仪表。
工作时需串入24V直流电压，0.5级精度，二线制4-20mA标准信号输出。
变频器：
三菱FR-S520变频器，4-20mA控制信号输入，可对压力进行控制，体积小，外加电流控制，频率可高达200Hz。
水泵：
采用丹麦格兰富循环水泵。
220V供电。
电动调节阀采用德国PS公司进口PSL201型智能电动调节阀。
牛顿7000系列模块：
D/A7024模块4路模拟输出，电流（4-20mA）电压（1-5V）信号均可，A/D7017模块8路模拟电压输入，485/232转换7520模块，转换速度极高（300～115KHz），232口可长距离传输。
D/A模块：
nudan7024
模块外形
模块原理
模块接线
模块性能：
电流输出4-20Ma;
A/D模块:
nudan7017—电压输入
DO模块:
nudan7043
通信模块:
nudan7530
六、工艺流程图和系统组态图
手动自动
图3工艺流程图4系统组态
系统可以手动/自动控制，通过控制电池阀开度改变水的流量，使水位达到预定数值。
七、标记名字典
变量名称
标记类型
访问名
项目名
注释
flow_mian
I/O实型
bai
rliuliang1.value
主流量
liquid_up
I/O实型
bai
ryewei1.value
上水箱液位
liquid_down
I/O实型
bai
ryewei2.value
下水箱液位
Uk0
I/O实型
bai
ruk0.value
主阀开度
VV1
I/O离散
bai
ddo2.value
电磁阀1
VV2
I/O离散
bai
ddo14.value
电磁阀2
VV4
I/O离散
bai
ddo4.value
电磁阀3
Star
内存离散
开始运行
Auto
内存离散
自动运行
a01
内存整型
中间变量
a11
内存整型
中间变量
a21
内存整型
中间变量
Kp
内存实型
比例系数
TD
内存实型
微分系数
eko
内存实型
中间变量
ek01
内存实型
中间变量
ek02
内存实型
中间变量
TI
内存实型
积分系数
P
内存实型
Pv
内存实型
SP
内存实型
I
内存实型
D
内存实型
TS
内存实型
八、系统组态图
应用Intouch制作出的组态图如图5：
图5
组态画面应设计出比较完整的控制画面。
画面包括上水箱、储水箱、电动调节阀、设计出完整的控制画面。
画面包括上水箱、储水箱、电动调节阀、水泵、变频器、管道及其开关型电磁阀、压力检测仪表及显示、阀位检测及显示、水位检测仪表及显示、实时曲线、历史曲线、PID参数调整框、手动控制开关、自动控制开关、结束退出开关。
九、PID调节:
建立一个窗口设置为PID显示窗口属性为弹出。
通过PID调节对管道流量、阀开度、水压进行调节。
改变Sp得到不同的水位值，给出水为值后，通过给定值与实际值比较得到误差。
下图为PID显示图6:
图6
十、设置历史曲线:
先建立一个窗口设置为历史曲线窗口属性为弹出。
历史曲线设置后如图7:
图7
十一、设置时实曲线:
建立一个窗口设置为时实曲线窗口属性为弹出。
时实曲线如图:
8
图8
十二、安装接线：
I/O接线:
实验中DA模块中
IO0为控制调节阀开度的控制通道，
IO1为可控硅的电压控制通道，
IO2为变频器的控制通道。
AD模块中
IN1为水箱液位的检测，
IN5是阀位反馈信号检测，
IN6是水泵出中水位信号检测。
装置柜控制台计算机
导线485/232
图9接线示意图
十三、I/O接线表：
液位变送器输出Ⅲ：
5（+）-----------------------电源正极
（水箱液位检测） 6（-）-----------------------In1+
In1------------------------电源负极
压力变送器输出：
7（+）-----------------------电源正极
（压力检测） 8（-）-----------------------In6+
In6------------------------电源负极
流量计输出：
17（+）-----------------------In2+
（管道流量检测） 18（-）-----------------------In2-
电动调节阀输入：
9（+）-----------------------电源正极
（管道电动阀控制） 10（-）-----------------------Io0+
AGND----------------------电源负极
AGND-----------------------电源负极
变送器输入：
41（+）-----------------------电源正极
（变送器控制） 42（-）-----------------------Io2+
AGND----------------------电源负极
电动调节阀阀位输出：
11（+）-----------------------In5+
（主管道阀位控制） 12（-）-----------------------In5-
十四、系统调试过程：
1．安图接线，无误后进入调试状态。
2．手动控制时，如果出现问题时，立即结束，检查仪表。
3．自动控制时，调节PID参数，KP=0.3,TI=0.3,TD=0.1。
手动自动
否否
是是
图10调试流程示意图
自动控制中应不断改变PID参数，观察实时曲线判断控制性能是否能够达到要求。
包括快速性、准确性、稳定性三方面，尽量让这三方面都能达到很好的性能。
调节参数原则:
应该先调节KP的值，P作用是最基本的控制作用，一般先按纯比例进行闭环测试，然后适当引入Ti和Td.
应尽量发挥积分作用消除余差.一般取Ti=2τ或Ti=（0.5-1）Tp，Tp是振荡周期。
稳定性是控制系统品质指标的前提条件。
通常，可取衰减比作为稳定性指标。
在整定完成后一定要确保过程控制系统的稳定性。
十五、系统调试以及结果:
此系统事采用PID控制规律实现单回路液位控制系统的动态监控。
首先给定Kp、Ti、TD的值之后进行调试。
在自动时可以改变Sp，此时Pv相应发生变化，Uk0在自动时无法改变。
在手动时,Sp和Uk0均可以改，Pv发生相应的变化。
在通过OPCLNK建立INTOUCH组态软件和Kingview组态软件的实际连接时，要注意几点：
首先，在Kingview中建立访问名时必须与INTOUCH组态中的访问名一致，并且此访问名必须在系统中没有重复定义过才行：
其次在定义项目名时必须注意，标记名在实际水压控制系统中是内存离散或是I/O实型，因为标记名与主题名不同，可以选择使用标记名作为项目名，使之自动输入到项目框，使用内置的主题IOSATUS监视I/O对话时，项目框总是使用在访问名中输入的名称。
总结：
通过这次ASEA培训,使我了解了当前组态软件的发展。
进一步学习了PLC、Intouch以及Protel的应用!
学习了系统组态图的设计与制作，使自己的思维更加开阔。
通过这次培训不但提高了对系统组态的认识也提高了自己的动手能力!
通过这次学习掌握了对复杂电路的实际和安装!
我希望在未来能够自性设计生产线路和安装调试系统,知识与实际操作联系到一起!
附录：
启动时：
VV1=0;
VV2=0;
VV4=0：
TS=1;
KP=30;
TI=30;
TD=0.1;
P=KP;
I=Ti/Ts;
D=Td/Ts;
Uk0=0;
ek0=0;
ek01=0;
ek02=0;
运行期间：
IFStar==1ANDAuto==1THEN
VV1=1;
VV2=1;
vv4=1;
a01=P*（1+I+D）;
a11=P*（1+2*D）;
a21=P*D;
ek0=Sp-Flow_main;
Uk0=a01*ek0+a11*ek01+a21*ek02;
ek02=ek01;
ek01=ek0;
IFUk0<0THEN
Uk0=0;
ELSE
IFUk0>1000THEN
Uk0=1000;
ENDIF;
ENDIF;
ELSE
VV1=0;
VV2=0;
ENDIF;
关闭时：
VV1=0;
VV2=0;
Uk0=0;
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