1、 自動(zdng)控制系統 課程設計設計(shj)題目 ： 基于PLC的水箱(shuxing)液位PID控制 專 業 ： 自動化 學 號 ： 5110626 姓 名 ： 閆正軍 指導老師 ： 王宏偉 成 績： 控制工程學院完成時間 ： 2014 年 7 月 4 日東 北 大 學 秦 皇 島 分 校 課 程 設 計 用 紙東 北 大 學 秦 皇 島 分 校 課 程 設 計 用 紙基于(jy)PLC的水箱液位PID控制摘 要本設計(shj)的課題是基于PLC的水箱(shuxing)液位PID控制。在設計中，主要是數學模型的建立和控制算法的設計，因此在論文設計中用到的PID算法較多，而在PLC方面的

2、知識較少。本文的主要內容包括：PLC的產生和定義、過程控制的發展、水箱的特性確定與實驗曲線分析， S7-200系列可編程控制器的硬件掌握，PID參數的整定及各個參數的控制性能的比較，應PID控制算法所得到的實驗曲線分析，整個系統各個部分的介紹和講解PLC的過程控制指令PID指令來控制水箱水位。關鍵詞：S7-200系列PLC，控制對象特性，PID控制算法，PID指令，The liquid level control system based on PLCAuthor：Yan Zhengjun Tutor：Wang HongweiABSTRACTThe subject of graduation

3、design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation

4、and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, S7-200 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experim

5、ental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction.Keywords：S7-200 series PLC, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, 目錄(ml)TOC o 1-7 h u HYPERLINK l

6、 _Toc5117 第一章 緒論(xln) PAGEREF _Toc5117 - 1 - HYPERLINK l _Toc5419 第二章 設計任務(rn wu)與要求 PAGEREF _Toc5419 - 2 - HYPERLINK l _Toc14887 2.1 本文研究的目的、意義 PAGEREF _Toc14887 - 2 - HYPERLINK l _Toc972 2.2基本任務 PAGEREF _Toc972 - 3 - HYPERLINK l _Toc9850 第三章 設計基礎儲備 PAGEREF _Toc9850 - 3 - HYPERLINK l _Toc841 3.1 建模

7、過程 PAGEREF _Toc841 - 3 - 3.2 實驗設備介紹- 4 - HYPERLINK l _Toc841 3.2.1 PLC系統 PAGEREF _Toc841 - 4 - HYPERLINK l _Toc841 3.2.2 雙水箱鍋爐系統 PAGEREF _Toc841 - 4 - HYPERLINK l _Toc9850 3.2.3 PowerFlex400變頻器 PAGEREF _Toc9850 - 4 - HYPERLINK l _Toc9850 3.3 PID控制器算法 PAGEREF _Toc9850 - 5 - HYPERLINK l _Toc9850 3.3.1

8、 模擬PID控制系統組成 PAGEREF _Toc9850 - 5 - HYPERLINK l _Toc9850 3.3.2 模擬PID控制器的微分方程和傳遞函數 PAGEREF _Toc9850 - 5 - HYPERLINK l _Toc9850 3.3.3 PID調節器各環節作用 PAGEREF _Toc9850 - 5 - HYPERLINK l _Toc9850 第四章 主體設計部分 PAGEREF _Toc9850 - 6 - HYPERLINK l _Toc20815 4.1 構建硬件回路 PAGEREF _Toc20815 - 6 - HYPERLINK l _Toc9850

9、4.1.1 PLC接線 PAGEREF _Toc9850 - 6 - HYPERLINK l _Toc9850 4.1.2變頻器接線 PAGEREF _Toc9850 - 6 - HYPERLINK l _Toc9850 4.2 編程 PAGEREF _Toc9850 - 7 - HYPERLINK l _Toc9850 4.2.1 PLC編程 PAGEREF _Toc9850 - 7 - HYPERLINK l _Toc9850 4.2.1.1 采用(ciyng)S7-200PID向導編程 東北大學秦皇島分校(fn xio)控制工程學院自動(zdng)控制系統課程設計任務書專業(zhuny)

10、 自動化 班級 51106 姓名 閆正軍 設計題目：基于PLC的水箱液位PID控制 一、設計實驗條件地 點：實驗室實驗設備：S7-200PLC、變頻器、水箱二、設計任務 設計用PLC控制的PID水箱液位控制,控制的任務是使水箱的液位等于給定值,減小或消除來自系統內部或外部擾動的影響。用液位參數為被控對象。交流電動機帶動泵通過入水閥門向上水箱供水,出水閥門同時向外排水,令入水的速度大于出水的速度,達到被控參數(液位)的動態調整。能夠較好的克服擾動。三、設計說明書的內容設計題目與設計任務（設計任務書）前言（緒論）(設計的目的、意義等)主體設計部分參考文獻結束語四、設計時間與設計時間安排1、設計時間

11、：6月23日7月4日2、設計時間安排： 熟悉課題、收集資料： 3天（6月23日 6月25日) 具體設計（含上機實驗）： 6天（6月26日 7月1日)編寫課程設計說明書： 2天（7月2日 7月3日)答辯： 1天（7月4日）第一章 緒論(xln)可編程控制器（簡稱(jinchng)PLC或PC）是一種新型的具有極高可靠性的通用工業自動化控制裝置，是一種數字運算操作的電子系統。它以微處理器為核心，有機地將微型計算機技術、自動化控制技術及通信技術容為一體，主要用來代替繼電器實現邏輯控制，隨著技術的發展，這種裝置的功能已經大大超過(chogu)了邏輯控制的范圍。它具有控制能力強、可靠性高、配置靈活、編程

12、簡單、使用方便、易于擴展等優點，是當今及今后工業控制的主要手段和重要的自動化控制設備。西門子S7系列PLC體積小、速度快、標準化，具有網絡通信能力，功能更強，可靠性更高。S7系列PLC產品可分為微型PLC（如S7-200），小規模性能要求的PLC（如S7-300）和中、高性能要求的PLC（如S7-400）等。液面高度是工業控制過程中一個重要的參數，特別是在動態的狀態下，采用適合的方法對液位進行檢測、控制，能收到很好的效果。液位控制是工業生產中典型的過程控制問題，對液位準確的測量和有效的控制是一些設備優質、高產、低耗和安全生產的重要指標。由于它便于直接觀察、容易測量、獲取方便、過程時間常數一般比

13、較小、價格低廉等特點，所以被廣泛應用于工業測量。PID控制依然是目前在工業過程控制系統中采用最多的控制方式。即使在美國、日本等工業發達國家，PID控制的使用率仍達90%，可見PID控制在工業過程控制中占有異常重要的地位。PID控制技術經歷了數十年的發展，從模擬PID控制發展到數字PID控制，技術不斷完善與成熟。尤其近十多年來，隨著微處理技術的發展，國內外對智能控制的理論研究和應用研究十分活躍，智能控制技術發展迅速，如專家控制、自適應控制、模糊控制等，現己成為工業過程控制的重要組成部分。由于液體本身的屬性及控制機構的摩擦、噪聲等的影響，控制對具有一定的純滯后和容量滯后的特點，液位上升的過程緩慢，

14、呈非線性。因此液位控制裝置的可靠性與控制方案的準確性是影響整個系統性能的關鍵。本課題針對液位控制設計了一個由液位傳感器、PLC、變頻器等組成的系統，并采用了PID算法對其控制。第二章 設計任務(rn wu)與要求2.1 本文研究(ynji)的目的、意義意義(yy)：在自動化控制的工業生產過程中，一個很重要的控制參數就是液位。一個系統的液位是否穩定，直接影響到了工業生產的安全與否、生產效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問題。隨著現在工業控制的要求越來越高，一般的自動化控制已經也不能夠滿足工業生產控制的需求，所以我們就又引入了可編程邏輯控制（又稱PLC）。引入PLC使控制方式更加

15、的集中、有效、更加的及時。目的：1、掌握西門子S7-200的PID功能（使用PID向導）2、熟悉經典的PID的參數，其中包括比例P、積分I、微分D，并學會通過控制結果的趨勢圖對PID參數進行在線調節3、熟悉溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器與模擬量模塊的接線方式，以及如何構成閉環控制系統2.2基本任務圖2.1 水箱液位控制圖這是一個單回路反饋控制系統,控制的任務是使水箱的液位等于給定值,減小或消除來自系統內部或外部擾動的影響。用液位參數為被控對象。交流電動機帶動泵通過入水閥門向上水箱供水,出水閥門同時向外排水,令入水的速度大于出水的速度,達到被控參數(液位)的動態調整。第三章 設計基礎(jch)儲

16、備3.1 建模過程(guchng)系統(xtng)示意圖如圖3-1所示： 圖3.1 單容液位水箱示意圖 其具體的建模過程為：被控過程的數學模型就是液位高度h與流入量Q1 之間的數學表達式。根據動態物料平衡關系，有：寫成增量形式： 1式中，、和分別為偏離某平衡狀態、 和的增量，A為水箱的橫截面積。靜態(jngti)時應有，。發生變化，液位h也隨之變化，使水箱(shuxing)出口處靜壓力發生變化，因此也發生變化，與h的近似(jn s)線性關系為： 2式中，R2為閥門2的阻力系數，稱為液阻。將1、2兩式整理得：經拉氏變換，得單容液位過程傳遞函數為：3式中，為過程放大系數，；為過程的時間常數，；C為

17、過程容量，。式3為一階傳遞函數，可知單容水箱液位控制系統為一階慣性系統。3.2實驗設備介紹3.2.1 PLC系統 西門子S7-200系列PLC以其極高的可靠性、豐富的指令集、易于掌握、便捷的操作、豐富的內置集成功能實時特性、強勁的通信能力、豐富的擴展模塊而適用于各行各業各種場合中的檢測、監測及控制的自動化，其強大功能使其無論獨立運行或連成網絡皆能夠實現復雜控功能。S7200系列PLC在集散自動化系統中發揮其強大功能，使用范圍從替代繼電器的簡單控制到更復雜的自動化控制，應用領域極為廣泛，覆蓋所有與自動檢測、自動化控制有關的工業及民用領域，包括水電、核電、火電、各種輸電、用電設施，各種機床、機械，

18、環境保護設備及運動系統等。SIMATIC S7200PLC系統構成包括基本單元（CPU模塊）、擴展單元（接口模塊）、編程器、通信電纜、存儲卡、寫入器、文本顯示器等。 （1）基本單元（CPU） S7-200 CPU將一個微處理器、一個集成的電源和若干數字量I/O點集成在一個緊湊的封裝中，組成了一個功能強大的PLC。CPU的主要功能使進行邏輯運算及數學運算，并協調整個系統的工作。本設計用到的cpu模塊為CPU 224 XP擴展模塊EM231EM231是4個模擬量輸入模塊，直接與液位傳感器的輸出端連接，實時采集液位高度。擴展模塊EM232EM232模塊式2個模擬量的輸出模塊，與變頻器連接，將PID運

19、算結果送到變頻器，控制變頻器頻率(pnl)從而控制上水電機轉速。3.2.2雙水箱鍋爐(gul)控制系統采用SAC-JGK 2型過程控制實驗裝置，其中用到了其中的下水箱(shuxing)、HB26S液位變送器、LZB-25轉子流量計、射流式白吸泵。3.2.3 PowerFlex40變頻器用于后向通道，通過控制變頻器來控制電機轉速，以實現對進水量的控制，從而最終實現對液位控制的目的。3.3 PID控制算法3.3.1、模擬PID控制系統組成 圖3.2 模擬PID控制系統原理框圖3.3.2、模擬PID調節器的微分方程和傳輸函數PID調節器是一種線性調節器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的

20、比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對控制對象進行控制。 1、PID調節器的微分方程 式中 2、PID調節器的傳輸函數 3.3.3、PID調節器各校正環節的作用 1. 比例作用(P) 比例控制作用是最基本的控制規律。它能較快的克服擾動影響，使系統穩定下來，但有余差。它適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、控制要求不高、被控參數允許在一定范圍內有余差的場合。比例控制參數對系統性能的影響如下：（1） 對動態性能的影響:比例控制參數Kc 加大，使系統的動作靈敏， 速度加快； Kc 偏大， 振蕩次數加多， 調節時間加長； 當Kc 太大時，系統就會趨于不穩定； 若Kc 太小， 又會

21、使系統的動作緩慢。（2） 對穩態性能(xngnng)的影響： 加大比例控制系數Kc， 在系統(xtng)穩定的情況(qngkung)下， 可以減小穩態誤差Es s， 提高控制精度； 但是加大Kc只是減少Ess， 卻不能完全消除穩態誤差。能反應偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節時間。 2. 積分作用(I)積分控制通常與比例控制或微分控制聯合作用， 構成PI 控制或PID 控制。其中PI 控制規律是應用最為廣泛的一種控制規律。積分能消除余差，適用于控制通道滯后較小、負荷變化不大、被控參數不允許有余差的

22、場合，如某些流量、液位要求無余差的控制系統。積分控制規律對系統性能的影響如下：（1） 對動態性能的影響： 積分控制參數Ti 通常使系統的穩定性能下降。Ti 太小系統將不穩定； Ti 偏小， 振蕩次數較多； Ti太大，對系統性能的影響減少； Ti 合適時， 過渡特性比較理想。（2） 對穩態性能的影響： 積分控制參數能消除系統的穩態誤差，提高控制系統的控制精度。 3 微分作用(D)微分控制可以改善動態特性，如超調量減少，調節時間縮短，允許加大比例控制， 使穩態誤差減小， 提高控制精度。但是，如果微分時間常數Td 太大， 這時即使偏差變化速度不是很大， 但因微分作用太強而使控制器的輸出發生很大變化，

23、嚴重影響控制質量和安全生產。第四章 主體(zht)設計部分4.1 構建硬件(yn jin)回路4.1.1 PLC接線(ji xin) 首先要了解傳感器是二線制還是四線制（說通俗點，四線制就是傳感器有四根線，其中兩根與電源構成回路，提供電能，另兩根是信號線，與處理器連接。二線制就是傳感器只有兩根線，傳感器與處理器串聯接入電路），然后根據實際情況按下圖接線，圖中的PS指的是“外部供電四線制”的接法，而L+和M指的是“外部電源二線制”的接法。再者沒有用到的模擬量輸入口，則要按標準短接，如下圖中的“未用”需要注意的是，信號線不要太長，且傳感器與CPU要使用同一個電源供電 圖4.1 EM231模擬量輸入

24、(shr)接線圖4.1.2變頻器接線(ji xin)圖4.2 變頻器接線圖用到的端口有14和15，其中(qzhng)14接EM232的M0口，15接EM232的IO口。4.2編程4.2.1 PLC編程4.2.1.1采用(ciyng)s7-200的PID向導編程從工具欄中選擇(xunz)指令向導 選擇PID，如下圖 給定值即設定值，范圍最好根據控制量的上下限進行設置，如此設置，在對液位進行調整時便于理解，如液位為0到100mm，可以采用此缺省值，則設定值輸入50時，說明我們想要的理想值便是50mm（沒有硬性規定，依個人習慣，當你輸入某個值時，計算機得到的是一個比例數，只要便于自己理解和記憶即可）

25、比例、積分和微分，初調時積分調為無窮大，微分設為0，只保留比例功能，在線調整穩定后再視情況加積分和微分，采樣時間采取缺省值 過程值本次實驗采用單極性，如果傳感器傳出的模擬量有正有負才選用(xunyng)雙極性，因為此壓力傳感器輸出為4到20mA，故勾選“使用(shyng)20%偏移量”。如果是0到20mA或者0到5V，則不使用20%偏移量。過程變量的值，只是在在線調節時為了讀數方便而設定的，但是當選擇20%偏移量后，便不可更改。輸出(shch)，可以選擇模擬量和數字量，數字量是PWM脈寬調制（如控制固態繼電器控制溫度），選擇模擬量則要注意傳感器是4到20ma（1到5v），還是0到20mA(0到

26、5V)，以此判斷是否選擇20%偏移量。本次控制的是變頻器，需要用4到20MA控制。對于報警，第一次做，故沒有勾選，做多了以后可以加進去，只是標志位，暫且用不到給PID分配地址，可以選擇建議地址，這些地址用來構成回路表，把常用(chn yn)的附下，詳細的見200的手冊向導后面(hu mian)的設置均可以選擇缺省值完成后將在子程序調用中產生(chnshng)如下子程序，即PID 應用如下，其中PV_I是過程量，即傳感器的反饋(fnku)值（本實驗反饋值接在了AIW4）；Setpoint是設定值，建議使用中間變量，這樣方便修改調試，本次采用了MD0；Output是控制量輸出端口，本次使用的為AQ

27、W4 4.2.1.2采用PID指令編寫梯形圖如下：4.2.2、變頻器編程 設置速度基準值，由于本次(bn c)實驗采用模擬量控制PowerFlex40，變頻器的速度基準值可以采用0到10V電壓或者4到20mA的模擬量控制，而PLC模擬量模塊只能輸出0到5V或者4到20mA電流，故選用后者作為控制方式。鍋爐系統中的電機，允許的最大頻率為50HZ，但是在試驗中，當電機在50HZ運行時，產生(chnshng)了太大的噪聲，故，將變頻器的最大頻率設為了40HZ，由于擔心電機不斷的起停會對電機造成太大損壞，故將最小頻率設為了1 本次實驗(shyn)采用的是手動停止和啟動變頻器，故要對啟動源和停止源進行設

28、置 到這里，編程就完成(wn chng)了，很簡單 注意(zh y)：變頻器更改參數前，要讓變頻器停止工作 4.3、調試 本設計中最主要的連機調試過程是進行PID參數整定。不同的控制對象和控制環境需要不同的PID參數，即使是同一個控制對象和控制環境，對控制品質的不同要求也需要對PID參數重新進行整定。 先調節比例，初始設為10左右，直至過程曲線比較平穩后，再根據穩態誤差的大小對積分時間進行調節。由于液位控制是大慣性的，所以不建議使用微分，只使用PI調節在調節穩定后，可以使用自整定得出較為完美的PID參數。起初的圖像曲線，效果極差，圖像震蕩很嚴重。先將積分作用去除，適當(shdng)加大死區后，

29、用純比例調出相對穩定的曲線后，再慢慢加入微分作用，效果如下：由曲線看出(kn ch)，系統穩定后存在誤差，由于我們知道純比例環節不能消除余差，只有積分作用才有消除余差，故此時應該加大積分作用，改變積分時間后，效果如下：再小范圍對P和I進行(jnxng)調節。當提高擾動幅度，之前效果明顯下降(xijing)，適當加大比例為7.5，積分時間不變得到較好的曲線曲線。因為想讓輸出值曲線更加平滑一點，考慮到積分是否(sh fu)太大，適當加大積分時間，得到如圖所示曲線。死區設置為2000時的另一組PID參數(cnsh)得到的曲線死區設為3100時，調出后的曲線(qxin)：4.4、遇到(y do)的問題

30、及解決方法 1、在接線時，直接從另一個架子上的端子排引的信號線（沒有斷開傳感器與另一個架子的連接，可能有未知的干擾），讀數始終(shzhng)為32760，單獨從傳感器引線（斷開其與其他設備的連接）后，問題解決 2、注意事項，EM231的輸入端的M要與CPU的，或者模塊的M端接在一起（傳感器與模塊使用同一個電源），為了抑制共模電壓 3、關于模擬量地址 CPU 224 XP在CPU上集成了兩個模擬量輸入(shr)端口和一個模擬量輸出端口。CPU 224 XP本體上的模擬量輸入(shr)通道的地址為AIW0和AIW2；模擬量輸出通道的地址為AQW0。S7-200的模擬量I/O地址總是以2個通道/模

31、塊的規律增加。 所以CPU 224 XP后面的第一個模塊上的模擬量輸入通道的地址為AIW4；第一個輸出通道的地址為AQW4，AQW2不能用 4、初次調試的圖像波動特別的大，導致變頻器頻繁動作，發熱較快，而且長時間調不好(b ho)曲線，后來發現系統濾波里的死區沒有設置過（如下圖），經過多 當然，死區、PID參數、采樣時間等都是影響輸出曲線的因素，他們多是互相耦合，不能只是單單的看一種值變化的效果，得綜合考慮各方面的影響，多調試，才能總結出大致規律，才能很好地從曲線的走向來判斷出現的問題，以便更好、更快的調出滿足要求的曲線。第五章 注意事項5.1 安全(nqun)注意事項5.1.1防止(fngz

32、h)觸電嚴格要求系統可靠接地，包括(boku)現場對象系統，控制系統，極低電阻不大于4歐姆。當通電或者正在運行時，請不要做任何維護或者維修活動，接線箱蓋子，變頻器前蓋板否則會有觸電危險。即使電源處于斷開時，除維護、維修外，請不要接觸任何具有超過安全電壓的裸露端子否則基礎各種充電回路可能造成觸電事故。不要用濕手操作設定各種旋鈕及按鍵，以防觸電。在開始布線或維修之前，請斷開電源，經過十分鐘以后，用萬用表檢測剩余電壓后進行。5.1.2防止損壞水泵運行狀態，絕對禁止進行水泵切換控制操作，否則可能損壞變頻器。在水箱水位沒有達到一定高度，不能啟動調壓器輸出，否則可能損壞硬件。系統應遠離可燃物體(wt)，系統發生故障時，請斷開電源，否則，系統可能應為電流過大導致火災。各個段子上的