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1、沈阳理工大学课程设计论文摘摘 要要在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液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过程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，能收到很好的效果就更为重要了。 在这次课程设计中，我们主要是设计一个下水箱液位控制系统，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PID 参数整定、传感器和调节阀等一系列的知识。通过将电磁流量计和涡轮流量计分别作为主管
2、道和副管道控制系统的调节阀控制水箱液位高度。然后，通过参数试凑法对 PID 参数的调试，使上述的模型能快速的达到稳定并且超调量和余差等满足设计要求。这次课设加深了对工业控制工程中对控制系统设计过程的认识。在 PID 参数整定过程中，我对比例控制，积分控制，微分控制的作用、效果以及调试方法有了一定了解。关键词关键词：过程控制过程控制 下水箱液位控制下水箱液位控制 PID 参数整定参数整定 1 绪论绪论自本世纪 30 年代以来，伴随着自动控制理论的日趋成熟，自动化技术不断地发展并获得了惊人的成就，在工业生产和科学发展中起着关键性的作用。过程控制技术是自动化技术的重要组成部分，普遍运用于石油，化工，
3、电力，冶金，轻工，纺织，建材等工业部门。 初期的过程控制系统采用基地式仪表和部分单元组合仪表，过程控制系统结构大多是单输入，单输出系统，过程控制理论是以频率法和根轨迹法为主体的经典控制理论，以保持被控参数温度，液位，压力，流量的稳定和消除主要扰动为控制目的过程。现今的过程控制己进入计算机集成过程系统（CIPS）时代，并依托人工智能，控制理论和运筹学相结合的智能控制技术向工厂综合自动化的方向发展。现代化过程工业向着大型化和连续化的方向发展，生产过程也随之日趋复杂，而对生产质量经济效益的要求，对生产的安全、可靠性要求以及对生态环境保护的要求却越来越高。不仅如此，生产的安全性和可靠性，生产企业的经济
4、效益都成为衡量当今自动控制水平的重要指标。因此继续采用常规的调节仪表（模拟式与数字式）已经不能满足对现代化过程工业的控制要求。2 下水箱液位控制系统设计简述下水箱液位控制系统设计简述2.1 设计目的设计目的通过某种组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和 PID 控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的流量单回路过程控制系统。2.2 设计要求设计要求1 进行单容液位控制系统设计，画出系统的结构图。2 进行单容液位定值控制系统调节器参数的整定。3 基于 WinCC 的监控界面设计.4 系统投运，进行 P、PI 和 PID 三
5、种调节器参数整定。5 比较三种调节器的控制效果。2.3 设计方案设计方案整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为 PID 控制规律，调节器为电磁阀，测量变送为 HB、FT 两个组成，被控对象为流量 PV。结构组成见下图 2-1 所示。图 2-1 流量单回路控制系统框图当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道分别将水送到上水箱和下水箱，由 HB 返回信号，是否还需要放水到下水箱。若还需要（即水位过低） ，则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好合适） ，则通过电磁阀使流量保持或减小。其整
6、个流程图如图 2-2 所示。图 2-2 流量单回路控制系统流程图被控量为下水箱的液位高度，实验要求它的液位稳定在给定值。将压力传感器 LT1 检测到的下水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制气动调节阀的开度，以达到控水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为 PI 或 PID 控制。本控制系统的流程图如图 2-3 所示。图 2-3 控制系统的流程图下水箱液位检测信号 LT1 为标准的模拟信号，直接传送到 SIEMENS 的模拟量输入模块 SM331，SM331 和分布式 I/O 模块 ET200M 直接相连，ET200M 挂接P
7、ROFIBUS-DP 总线上，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP（CPU315-2 DP 为 PROFIBUS-DP 总线上的 DP 主站） ，这样就完成了现场测量信号到 CPU 的传送。本实验的执行机构为带 PROFIBUS-PA 通讯接口的阀门定位器 PROFIBUS-PA总线上，PROFIBUS-PA 总线通过 LINK 和 COUPLER 组成的 DP 链路与 PROFIBUS-DP 总线交换数据，PROFIBUS-DP 总线上挂接有控制器 CPU315-2 DP，这样控制器 CPU315-2 DP 发出的控制信号就经由 PROFIBUS-DP 总线到达
8、 PROFIBUS-PA 总线来控制执行机构阀门定位器。3 下水箱液位系统的组成下水箱液位系统的组成3.1 单回路控制系统单回路控制系统单回路过程控制系统亦称单回路调节系统简称单回路系统，一般指针对一个被控过程,采用一个测量变送器监测被控过程，采用一个控制器来保持一个被控参数恒定，其输出也只控制一个执行机构。从系统的框图 3-1 看，只是一个闭环回路。 图 3-1 单回路控制系统方框图图中，、和分别表示被控对象、检测变送仪表、 sGO sGm sGv sGc执行器和控制器的传递函数。系统工作时，被控过程的输出信号（被控变量）通过检测变送仪表后将其变换为测量值，并将测量值反馈到控制tytymty
9、m器的输入端；控制器根据系统被控变量的设定值与测量值 sGc sGctr的偏差，按照一定的控制算法输出控制量；执行器根据控制tymtetu sGv器送来的控制信号，通过改变操作变量的大小，对被控对象 sGctut进行调节，克服扰动对系统的影响，从而使被控变量趋于设定值 sGOtdty，达到预期的控制目标。单回路系统结构简单，投资少，易于调整和投运，tr又能满足不少工业生产过程的控制要求，因此应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和小惯性、负荷和扰动变化比较平缓，或者对被控制量要求不高 sGm sGOtymttdty sGc sGvtrtetu的场合，约占目前工业控制系统 80%以上。单回路过
10、程控制系统虽然简单，但它的分析、设计方法是其它各种复杂过程控制系统分析、设计的基础。3.1.1 控制器控制器控制器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的恒定参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制水箱液位等于给定值所要求的高度。所以本设计控制器采用 SIEMENS 公司的 S7300 CPU，本 CPU 既具有能进行多点通讯功能的 MPI 接口，又具有 PROFIBUS-DP 通讯功能的 DP 通讯接口，并通过 WINCC 组态软件完成对下水箱液位的控制。3.1.2 执行器执行器本设计采用智能直行程电动调节阀，对控制回路的流量进行调节。电动调节阀型号为：QSTP-16
11、K。具有精度高、技术先进、体积小、重量轻、推动力大、功能强、控制单元与电动执行机构一体化、可靠性高、操作方便等优点，电源为单相 220V，控制信号为 420mADC 或 15VDC，输出为 420mADC 的阀位信号，使用和校正非常方便。采用磁力驱动泵，型号为 16CQ-8P，流量为 30 升/分，扬程为 8 米，功率为 180W。泵体完全采用不锈钢材料，以防止生锈，使用寿命长。 在本设计中还选用电磁阀作为电动调节阀的旁路，起到阶跃干扰的作用。电磁阀工作压力：最小压力为 0Kg/，最大压力为 1Mp/ ；工作温度：2cm2cm580；工作电压：220VAC。3.1.3 被控对象被控对象本设计被
12、控对象选择下水箱，下水箱尺寸为：D=35cm，H=20cm。水箱结构独特，由三个槽组成，分别为缓冲槽、工作槽和出水槽，进水时水管的水先流入缓冲槽，出水时工作槽的水经过带燕尾槽的隔板流入出水槽，这样经过缓冲和线性化的处理，工作槽的液位较为稳定，便于观察。水箱底部均接有扩散硅压力传感器与变送器，可对水箱的压力和液位进行检测和变送。3.1.4 检测装置检测装置本设计采用压力传感器对下水箱的液位进行检测，其量程为 05KP，精度为 0.5 级。采用工业用的扩散硅压力变送器，带不锈钢隔离膜片，同时采用信号隔离技术，对传感器温度漂移跟随补偿。采用涡轮流量计对由电动调节阀控制的动力支路、由变频器控制的动力支
13、路及盘管出口处的流量进行检测。其优点是测量精度高，反应快。流量范围：01.2m3/h；精度：1.0%；输出：420mADC。3.2 下位机部分下位机部分1 、PLC 的简介可编程控制器（简称 PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外 PLC 品种繁多，生产 PLC 的厂商也很多，其中德国西门子公司在 S5 系列 PLC 的基础上推出了 S7 系列 PLC，性能价格比越来越高。S7系列 PLC 有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型 PLC 才有的功能，其扫描速度甚至超过了许多大型的 PLC，S7 系列 PLC 功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的
14、、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。根据学校要求，在本装置中采用了 S7-300PLC 控制系统。2 、Step 7 编程软件的简介本装置中 S7-300PLC，采用的是 Step 7 编程软件，利用这个软件可以对 PLC进行编程、调试、下装、诊断。STEP 7 是用于 SIMATIC S7-300/400 站创建可编程逻辑控制程序的标准软件，可使用梯形逻辑图、功能块图和语句表。它是 SIEMENS SIMATIC 工业软件的组成部分。STEP 7 以其强大的功能和灵活的编程方式广泛应用于工业控制系统，总体说来，它有如下功能特性：1、可通过选择 SIMATIC 工业软
15、件中的软件产品进行扩展2 、为功能摸板和通讯处理器赋参数值3 、强制和多处理器模式4 、全局数据通讯5 、使用通讯功能块的事件驱动数据传送6 、组态连接3.3 上位机部分上位机部分1、WINCC 概述WINCC 指的是 Windows Control Center，它是在生产和过程自动化中解决可视化和控制任务的监控系统，它提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的功能耦合、快速的画面更新以及可靠的数据交换使其具有高度的实用性。WINCC 是基于 Windows NT 32 位操作系统的，在 Windows NT 或 Windows 2000 标准环境中，WINCC 具有
16、控制自动化过程的强大功能 ，它是基于个人计算机，同时具有极高性价比的操作监视系统。WINCC 的显著特性就是全面开放，它很容易结合用户的下位机程序建立人机界面，精确的满足控制系统的要求。不仅如此，WINCC 还建立了像 DDE、OLE 等在 Windonws 程序间交换数据的标准接口，因此能毫无困难的集成 ActiveX 控制和 OPC 服务器、客户端功能。WINCC 软件是基于多语言设计的，这意味着可以在中文、德语、英语等众多语言之间进行选择。2 、WINCC 组态界面2-4-1wincc 组态好的界面4 系统调试部分系统调试部分4.1 系统建模系统建模本实验研究的被控对象只有一个，那就是下水箱如图 4-1。要对该对象进行较好的计算机控制，有必要建立被控对象的数学模型。单容水箱是一个自衡系统。根据它的这一特性，我们可以用阶跃响应测试法进行建模。如图 4-1，设水箱的进水量为 Q1，出水量为 Q2，水箱的液面高度为
