遼寧工業大學工業生產過程控制課程設計〔論文〕題目：水箱液位串級控制系統院〔系〕：專業班級：學號：學生姓名：指導教師：〔簽字〕起止時間：2011、06、27—07、08課程設計〔論文〕任務及評語院〔系〕：電氣工程學院教研室：學號學生姓名專業班級課程設計〔論文〕題目水箱液位串級控制系統課程設計〔論文〕任務設計任務：利用“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”，并采用PLC作為控制器的硬件，設計一個液位閉環反響控制系統，使液位能夠保持在設定的范圍。進度方案1．根據設計任務首先進行系統方案設計，要求繪制出控制系統的結構圖及控制系統框圖；2．確定方案后，設計控制系統的電氣原理圖；3．根據設計的原理圖，進行硬件連接；4．編制PLC的控制程序并設計一套簡單的上位機監控畫面；5．調試PLC程序直至滿足控制要求為止；6．對控制系統設計的過程進行總結，認真書寫課程設計報告并按時上交。指導教師評語及成績平時：論文質量：辯論：總成績：指導教師簽字：年月日注：成績：平時20%論文質量60%辯論20%以百分制計算摘要隨著現代工業生產過程向著大型、連續方向開展，對控制系統的控制品質提出了更高的要求。在這種情況下傳統的單回路液位控制已經難以滿足一些復雜的控制要求。水箱液位控制系統由于過程控制特性呈現大滯后、外界環境擾動較大，要到達水箱液位最后都保持在設定值，用簡單的閉環反響控制系統不能實現很好的控制效果，相比之下，采用液位串級閉環反響控制系統可以改善系統的控制品質。雙容水槽是工業生產過程的常見被控對象,本文采用了西門子S7-200系列PLC結合液位傳感器實現雙容液位串級控制系統。該系統能有效克服對象的容量滯后,提高控制精度,減小系統超調。本文闡述了PLC實現雙容液位串級控制系統的的工作原理,并從系統硬件組成、PLC工作流程、I/O口分配、控制方式以及工控組態人機監控界面設計等方面進行了詳細論述，具有較強的實用性關鍵詞：西門子S7-200；串級控制；液位；目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章緒論1第2章液位串級控制系統組成結構22.1系統工作原理22.2串級控制系統的組成22.2.1硬件介紹22.2.2軟件介紹3系統總貌圖5第3章控制系統方案設計6水箱串級控制系統工藝流程圖6水箱液位串級控制系統框圖的設計7硬件設計7檢測單元83.2.2執行單元8控制單元93.3控制系統的控制要求及實現93.3.1控制系統設計技術要求93.3.2控制系統的結構及實現10控制系統的調試及PID參數整定103.4.1串級控制系統的調試103.4.2控制器PID參數整定10第4章結論12參考文獻14第1章緒論在化學工業生產中雙容甚至多容的液位控制是一項非常重要的環節。隨著現代工業生產過程向著大型、連續和強化方向開展,對控制系統的控制品質提出了日益增長的要求。在這種情況下,傳統的單回路液位控制已經難以滿足一些復雜的控制要求，水箱液位控制系統由于控制過程特性呈現大滯后、外界環境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設定值，用簡單的單閉環反響控制不能實現很好的控制效果，所以采用串級閉環反響系統。第2章液位串級控制系統組成結構2.1系統工作原理水箱液位串級控制系統，它是由主控、副控兩會路組成，主控回路的調節器稱主調節器，控制對象為下水箱，下水箱的液位為系統的主控制量，副控制回路中的調節器稱副調節器，控制對象為中水箱，中水箱的液位為副控制量，主調節器的輸出作為副調節器的給定，副調節器的輸出直接驅動電動調節閥，從而到達控制水箱液位的目的；在串聯雙容水箱水位的控制中，進水首先進人第一個水箱，然后通過第二個水箱流出，與一個水箱相比，由于增加了一個水箱，使得被控量的響應在時間上更落后一步，即存在容積延遲，從而導致該過程的難以控制。串級控制是改善調節過程動態性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系統的容積延遲。通過MCGS組態軟件對整定過程及液位的平衡過程進行實時監控，直至到達主、副回路的最正確整定參數。2.2串級控制系統的組成本實驗裝置對象主要是水箱；供水系統有兩路：一路由三相〔380V恒壓供水〕磁力驅動泵、電動調節閥、直流電磁閥、渦輪流量計及手動調節閥組成；另一路由變頻器、三相磁力驅動泵〔220V變頻調速〕、渦輪流量計及手動調節閥組成；控制器為西門子S7-200PLC；用到的實驗平臺控制屏掛件有：“THSA-1型過控綜合自動化控制系統實驗平臺”SA-12掛件2個、串口線1根；軟件為西門子S7系列PLC編程軟件，上位機MCGS監控組態軟件。2.2.1硬件介紹被控對象水箱：包括上水箱、中水箱、下水箱和儲水箱。上、中、下水箱采用淡藍色優質有機玻璃，便于學生直接觀察液位的變化和記錄結果。水箱底部均接有擴散硅壓力傳感器與變送器，可對水箱的壓力和液位進行檢測和變送。上、中、下水箱可以組合成一階、二階、三階單回路液位控制系統和雙閉環、三閉環液位串級控制系統。儲水箱由不銹鋼板制成，滿足上、中、下水箱的供水需要。檢測裝置壓力傳感器、變送器：三個壓力傳感器分別用來對上、中、下三個水箱的液位進行檢測，其量程為0～5KP，精度為0.5級。輸出：4～20mADC。流量傳感器、變送器：三個渦輪流量計分別用來對由電動調節閥控制的動力支路、由變頻器控制的動力支路及盤管出口處的流量進行檢測。輸出：4～20mADC。執行結構電動調節閥：采用智能直行程電動調節閥，用來對控制回路的流量進行調節。電源為單相220V，控制信號為4～20mADC或1～5VDC，輸出為4～20mADC的閥位信號；水泵：本裝置采用兩只磁力驅動泵,一只為三相380V恒壓驅動，另一只為三相變頻220V輸出驅動：電磁閥：在本裝置中作為電動調節閥的旁路，起到階躍干擾的作用。控制器S7-200PLC控制系統：S7-200是一種疊裝式結構的小型PLC，包括一個CPU224主機模塊、一個EM235模擬量輸入模塊和一個EM235模擬量輸出模塊，以及一根PC/PPI連接線。SA-01電源控制屏面板：圖2.1為電源控制屏示意圖。合上總電源空氣開關及鑰匙開關，此時三只電壓表均指示380V左右，定時器兼報警記錄儀數顯亮，停止按鈕燈亮。此時翻開照明開關、變頻器開關及24V開關電源即可提供照明燈，變頻器和24V電。按下啟動按鈕，停止按鈕燈熄，啟動按鈕燈亮，此時合上三相電源、單相Ⅰ、單相Ⅱ、單相Ⅲ空氣開關即可提供相應電源輸出，作為其他設備的供電電源。SA-11交流變頻控制掛件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH(R)型變頻器，控制信號輸入為4～20mADC或0～5VDC，交流220V變頻輸出用來驅動三相磁力驅動泵。2.2.2軟件介紹西門子S7系列PLC編程軟件：本裝置中PLC控制方案采用了德國西門子公司的S7-200PLC，而西門子S7-200PLC采用的是Step7編程軟件。利用這個軟件可以對相應的PLC進行編程、調試、下裝、診斷。圖2.1電源控制屏示意圖第3章控制系統方案設計如圖3.1所示，本實驗為水箱液位串級控制系統，它是由主、副兩個回路組成，每一個回路中都有一個屬于自己的調節器和控制對象，即主回路中的調節器稱主調節器，控制對象為下水箱，作為系統的被控對象，下水箱的液位為系統的主控制量；副回路中的調節器稱副調節器，控制對象為中水箱，又稱副對象，它的輸出是一個輔助的控制變量。主調節器的輸出作為副調節器的給定，副調節器的輸出直接驅動電動調節閥，從而良好控制水箱液位。本系統控制的目的不僅是系統的輸出響應具有良好的動態性能，且在穩態時，系統的被控制量等于給定值，實現無差調節。當有擾動出現于副回路時，由于主對象的時間常數大于副對象的時間常數，因而當被控制量〔下水箱的液位〕為作出反映時，副回路已經快速響應，及時地消除了擾動對被控制量的影響。此外，如果擾動作用于主對象，由于副回路的存在，使副對象的時間常數大大減小，從而加快了系統的響應速度，改善了動態性能。水箱液位控制系統由于控制過程特性呈現大滯后、外界環境的擾動較大，要保持上水箱下水箱液位最后都保持設定值，用簡單的單閉環反響控制不能實現很好的控制效果，所以采用串級閉環反響系統。水箱液位控制系統圖如圖3.1所示，該系統中，中水箱液位作為副調節器調節對象，下水箱液位作為主調節器調節對象。控制框圖如圖3.2所示。這里的擾動主要是水箱的出水閥的擾動，有時是人為的因素，有時是機械的因素，擾動總是不可防止的。主回路和副回路結合有效地抑制環境的擾動。圖3.2串級控制系統方框圖在這里，執行機構仍然是電動調節閥，依舊由PLC經過PID算法后控制它的開度以控制水管里的水流量，控制兩個水箱的水位。它有兩個PID回路，一個控制下水箱的液位，它的輸出值作為另一個的設定值，控制上水箱的液位。硬件局部主要有變頻器、電動調節閥、流量計、中水箱、下水箱、各種傳感器、以及數據采集、轉換裝置；系統硬件的設計包括檢測單元、執行單元和控制單元的設計，他們互相聯系，組成一個完整的系統。在過程控制系統中，檢測環節是比擬重要的一個環節。液位是指密封容器或開口容器中液位的上下，通過液位測量可知道容器中的原料、半成品或成品的數量，以便調節流入流出容器的物料，使之到達物料的平衡，從而保證生產過程順利進行。設計中涉及到液位的檢測和變送，以便系統根據檢測到的數據來調節通道中的水流量，控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動化儀表生產的中控儀表SP0018G壓力變送器，屬于靜壓力式液位變送器，量程為0~10KPa，精度為，由24V直流電源供電，可以從PLC的電源中獲得，輸出為4~20mA直流。3.2.2執行單元執行單元是構成自動控制系統不可缺少的重要組成環節，它接受來自調節單元的輸出信號，并轉換成直角位移或轉角位移，以改變調節閥的流通面積，從而控制流入或流出被控過程的物料或能量實現過程參數的自動控制。執行器由執行機構和調節機構〔調節閥〕兩局部組成。執行機構首先將來自調節器的信號轉變成推力或位移，對調節機構〔調節閥〕根據執行機構的推力或位移，改變調節閥的閥芯或閥座間的流通面積，以到達最終調節被控介質的目的，來自調節器的信號經信號轉換單元轉換信號制式后，與來自執行機構的位置反響信號比擬，其信號差值輸入到執行機構，以確定執行機構作用的方向和大小，其輸出的力或位移控制調節閥的動作，改變調節閥的流通面積，從而改變被控介質的流量。當位置反響信號與輸入信號相等時，系統處于平衡狀態，調節閥處于某一開度。系統中用到的調節閥是QS智能型調節閥，所用到的執行機構為電動執行機構，輸出為角行程，控制軸轉動。電動執行機構的組成框圖。來自PLC的模擬量輸出DC4~20mA信號Ii與位置反響信號If進行比擬，其差值經放大后，控制伺服電動機正轉或反轉，再經減速器后，改變調節器的開度，同時輸出軸的位移，經位置發生器轉換成電流信號If。當Ii=If時，電動機停止轉動，調節閥處于某一開度，即Q=KIi，式中Q為輸出軸的轉角，K為比例常數。電動調節閥還提供手動操作，它的上部有個手柄，和軸連接在一起，在系統掉電時可進行手動控制，保證系統的調節作用。控制單元控制單元是整個系統的心臟。在系統中，PLC是控制的中心元件，它的選擇是控制單元設計的重要局部。系統采用的是西門子S7-300系列的PLC，其結構簡單，使用靈活且易于維護。它采用模塊化設計，本系統主要包括CPU模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和電源模塊。3.3控制系統的控制要求及實現3.3.1控制系統設計技術要求水箱液位和流量串級控制系統主要由水箱、管道、水泵、異步電動機、電機控制電器、水壓傳感器、變頻器、電動調節閥、可編程控制器及其輸入輸出通道電路等構成。系統中由電位器設置液位給定值，水壓力傳感器檢測液位，采用PID算法得出流量給定值。渦輪流量計測流量，電動調節閥控制流量，采用PID算法得出電動調節閥度控制值，實現流量的控制。流量控制是內環，液位控制是外環。系統電源由接觸器和按鈕控制，系統電源接通后PLC進行必要的自檢和初始化，控制器接收到系統啟動按鈕起動信號后過接觸器接通電機電源，啟動動力系統工作，開始兩閉環系統的調節工作。根據工藝要求，為了保證控制精度，系統以低位水箱液位為主調節參數，高位水箱液位為副調節參數，構成串聯雙容水箱串級控制系統。低位水箱的液位傳感器檢測的液位信號與給定液位值進行比擬后送人主調節器，經PID運算后，其輸出作為副調節器的給定值，與高位水箱的液位傳感器檢測到的液位信號進行比擬后送人副調節器，經PID運算后，其輸出控制電動調節閥的開度，控制進水流量的大小，從而控制水箱的液位口。系統的結構如圖3.2所示。3.3.2控制系統的結構及實現根據工藝要求，考慮到系統中處理的主要是液位、流量等模擬量信號，所以采用西門子S7-200實現對信號的處理和整個系統的控制；采用組態軟件WINCC對系統進行顯示和監控。本系統采用西門子MCGS工業控制組態軟件，通過適配器、MPI通訊電纜使PC機與PLC進行通信。MCGS組態軟件能夠完成現場數據采集、實時和歷史數據處理、平安機制、工藝過程實時監控、PID參數的調整、工業圖形顯示等功能，非常方便。3.4.1串級控制系統的調試該系統中以串級控制系統來控制下水箱液位，以第二支路流量為副對象，右邊水泵直接向下水箱注水，流量變動的時間常數小、時延小，控制通道短，從而可加快提高響應速度，縮短過渡過程時間，符合副回路選擇的超前，快速、反響靈敏等要求。下水箱為主對象，流量的改變需要經過一定時間才能反響到液位，時間常數比擬大，時延大。如下圖，設計好下水箱和流量串級控制系統。將主調節器的輸出送到副調節器的給定，而副調節器的輸出控制執行器。由上分析副調節器選PID控制，自動。主調節器選用PID控制，自動。反復調試，使第二支路的流量快速穩定在給定值上，這時給定值應與副反響值相同。待流量穩定后，通過變頻器快速改變流量或人為參加擾動。假設參數比擬理想，且擾動較小，經過副回路的及時控制校正，不影響下水箱的液位。如果擾動比擬大或參數并不理想，那么經過副回路的校正，還將影響主回路的流量，此時再由主回路進一步調節，從而完全克服上述擾動，使液位調回到給定值上。當使用第一動力支路把擾動加在下水箱時，擾動使液位發生變化，主回路產生校正作用，克服擾動對液位的影響。由于副回路的存在加快了校正作用，使擾動對主回路的液位影響較小，從而使系統自動到達平衡調節，以保持水箱液位高度。3.4.2控制器PID參數整定主回路是一個定值控制系統。對于主參數的選擇，根本上可以按照單回路控制系統的設計原那么進行。凡直接或間接與生產過程運行性能密切相關并可直接測量的工藝參數均可選擇作主參數。另外，對于選用的主參數必須具有足夠的靈敏度，并符合工藝過程的合理性；串級控制系統副回路具有調節速度快、抑制擾動能力強的特點，因而在選擇副參數進行副回路設計時，必須注意主、副過程時間常數的匹配問題，以盡量減少對主參數的影響，提高主參數的控制質量。即，如果副過程的時間常數比主過程小得多，這時副回路反響靈敏，控制作用快，但此時副回路包含的擾動少，對于過程特性的改善也就少了；相反，如果副過程的時間常數大于或接近于主過程的時間常數，這時副回路對于改善過程特性的效果較明顯。但是，副回路反響較遲鈍，不能及時有效地克服擾動，并將明顯地影響參數。如果主、副過程的時間常數較接近，這時主副回路間的動態聯系十分密切，當一個參數發生振蕩時，會使另一個參數也發生振蕩，這就是所謂的“共振”，它不利于生產的正常進行。串級控制系統主、副過程時間常數的匹配是一個比擬復雜的問題。原那么上，主副過程時間常數之比應是3到10范圍內。本次液位控制系統中設置串級控制系統主要是利用副回路能迅速克服主要擾動，所以副回路的時間常數以小一點為好，只要將主要擾動包括在副回路中即可。針對本次的液位串級控制系統可用以下步驟對PID參數整定：1〕根據副變量的類型，按經驗數據選擇好副控制器的比例度〔可參照圖3.3〕；2〕將副控制器參數置于經驗值，然后按單回路控制系統中任一整定方法整定主控制器參數；3〕觀察控制過程，根據主、副控制器放大系數匹配的原理，適當調整主、副控制器的參數，使主變量控制質量最好；4〕假設出現振蕩，可加大主〔或副〕控制器的比例度，即可消除。如出現劇烈振蕩，可先轉入遙控，待產生穩定之后，重新投運和整定。副變量類型副控制器放大系數KC2副控制器比例度δ〔%〕溫度5～20～60壓力3～30～70流量～40～80液位5～20～80圖3.3副控制器比例度第4章結論1液位流量控制系統的控制效果如圖4.1所示，在系統穩定后，副回路增加的擾動，從圖上可見這個擾動對系統影響很小。圖4.1加擾動后控制效果圖2通過本次水箱液位串級控制系統的設計不看出所采用的串級控制方案很好地克服了雙容對象的容量延遲對液位控制的不利影響，取得了較好的控制效果。通過上位機監控組態界面的設計，使整個系統的運行和控制狀態更直觀。目前，3我們還可以明確單回路控制技術并非適用一切，對于時間常數較大、存在時間滯后、系統有較大干擾的情況，單回路控制系統的調節質量難于保證。必須改良控制方式，而串級控制系統能較大的解決這一問題，串級控制系統由于副回路的存在，改善了對象的特性，使等效對象的時間常數減小