《蓄水池液位控制系统》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蓄水池液位控制系统（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1南华大学过程控制仪表课程设计设计题目 PLC 控制的蓄水池液位系统 学生姓名 专 业 班 级 自 动 化 1002 班 学 号 指导老师 2目录1. 设计的目的和意义21.1 设计目的 31.2 设计意义 32. 控制系统工艺流程及控制要求 42.1 基本任务 42.2 基求控制要求42.3 给定条件42.4 主要性能指标42.5 工艺流程图533. 总体设计方案 63.1 控制方法选择 73.1.1 控制方法选择73.1.2 系统组成73.2 系统组成 84. 软硬件设计 84.1 建模过程 84.2 硬件开发及系统配置 104.2.1PLC 系统CPU、模/数转换模块、数/模转换模块10
2、4.2.2 回路表4104.2.3PID 指令114.2.4 程序流程图124.2.5 程序145. 课程设计实验 186. 遇到的问题及解决方法 187. 收获和体会 19参考文献195第 1 章 设计的目的及意义1.1 设计目的对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀 1 向上水箱供水,调节阀 2 使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。1.2 设计意义在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液
3、位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC
4、控制、PID 算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了 PID 算法，控制核心为 S7-200 系列的 CPU222 以及 A/D、D/A 转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、低耗和安全生产的重要指
5、标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是 PID 控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID 控制的使用率仍达 90%，可见 PID 控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID 控制技术经历了数十年的发展，从模拟 PID 控制发展到数字 PID 控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智6能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。由于液体本身的属性及控
6、制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式 PID 算法对其控制。第 2 章 蓄水池系统工艺流程及控制要求2.1 基本任务对蓄水池箱液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使蓄水池的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀 1 向上水箱供水,调节阀 2 使之同时向外排水,令入水的速度大于出水
7、的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。2.2 基本控制要求对蓄水池，用西门子 S7-200 为控制核心，辅助以单片机系统配套的A/D、D/A 转换单元及电路,通过执行数字 PID 程序实现参数的自动调整(设定值在单片机键盘上完成),使水箱的实际液位/压力值与设定值接近,最终稳定于设定值。组成单闭环水位调节系统，,要求水位可以在一定范围内由人工设定，且各种测量、控制参数可在人机界面上显示、设定。2.3 给定条件 控制对象：蓄水池为核心的水循环系统 检测元件：压力式液位传感器 执行元件：电动调节阀72.4 主要性能指标 液位控制范围：0-3m 最小区分度：1cm 控制精度：液位控制的静态误
8、差1cm2.5 工艺流程图图 2-1 单容液位蓄水池示意图上图是对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀 Q1 向上水箱供水,调节阀 Q2 使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度 h 与流入量 Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有：12dQAt（1）写成增量形式： 12dht（2）式中， 、 和 分别为偏离某平衡状态 、 和 的增量，A
9、为水箱1Q2h10Q20的横截面积。8静态时应有 ， 。 发生变化，液位 h 也随之变化，使水箱出12Q0dht1Q口处静压力发生变化，因此 也发生变化，与 h 的近似线性关系为： （3）2hR式中，R2 为阀门 2 的阻力系数，称为液阻。将（2） （3）两式整理得：（5）21dhAQt经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：（6）0201()1KRHsWCTs式中， 为过程放大系数， ； 为过程的时间常数， ；C 为过0K020 02TR程容量， 。CA式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定
10、过程。第 3 章 总体设计方案3.1 总体方案的选择蓄水池的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为：9，此模型为一阶传递函数。00()1KHSWQT3.1.1 控制方法选择蓄水池液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的过渡过程控制，可采用以下几种控制方案：（1）输出开关量控制;（2）比例控制（P 控制）;（3）比例积分控制（PI 控制）;（4）比例积分加微分控制（PID 控制） 。PID 控制适用与负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系统。另外，PID 算法有两种常见的实现形式：位置型 PID 算法和增量型 PID算法，结合本系统设计任务与要求，
11、以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式 PID 控制方法最适合本系统采用。3.1.2 系统组成以现代控制理论和 PLC 为基础，采用数字控制、显示、A/D 与 D/A 转换，配合执行器与控制阀构成的 PLC 控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，因此，应以 PLC 为核心组成一个专用 PLC 应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。3.2 确定系统功能、性能指标本例以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比，对于系统要求的扩展功能将在最后讨论。根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：
12、 可以进行水位设定，并自动调节水位到给定水位值； 可以调整 PID 控制参数，以满足不同控制对象与控制品质的要求； 可以实时显示给定值与水位实测值。系统主要性能指标如下： 液位控制范围：0-3m 最小区分度：1cm 控制精度：液位控制的静态误差1cm10第四章 软硬件设计4.1 建模过程系统示意图如图 2-1 所示：经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：（6）0201()1KRHsWQCTs式中， 为过程放大系数， ； 为过程的时间常数， ；C 为过0K020 02TR程容量， 。式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶CA惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只与液位高度有关。因出水管的流量为 ，根据实验所测得的多组数据，可以计算出出水管的液 =Svq阻，见表 4-1。多次求平均可得液阻值为 6370.207。另外，水
