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1、水箱液位控制系统的设计摘要：随着现代工业生产过程向着大型、连续方向发展,对控制系统的控制品质提出了日益 增长的要求。在这种情况下,传统的单回路液位控制已经难以满足一些复杂的控制要求， 水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保持水箱液位 最后都保持设定值，用简单的单闭环反馈控制不能实现很好的控制效果，所以采用串级闭 环反馈系统。本设计采用水箱液位和注水流量串级控制，设计系统主要由水箱、管道、三相磁力泵、 水压传感器、涡轮流量计、变频器、可编程控制器及其输入输出通道电路等构成。系统中 由液位PID控制器的设定值端口设置液位给定值，水压力传感器检测液位。涡轮流量计测 流量
2、，变频器调节水泵的转速，采用PID算法得出变频器输出值，实现流量的控制。流量 控制是内环，液位控制是外环。制作相对应的控制画面，让画面的个按钮与变量相对应，对系统的个参数进行整定， 通过不断的调试，使系统尽可能的保持在要求的位置。系统电源由接触器和按钮控制，系统电源接通后PLC进行必要的自检和初始化，控制 器接收到系统启动按钮动作信号后，通过接触器接通电机电源，启动动力系统工作，开始 两个闭环系统的调节控制。目录1、设计目的和任务 11.1目的11.2主要任务12、设计方案提出及选择12.1液位单闭环控制系统12.2液位流量串级控制系统 13、液位串级控制系统组成结构 23.1串级控制系统的组
3、成23.2系统总貌图44、设计方案的控制流程图和电气原理图44.1水箱液位串级控制系统的结构图设计44.2水箱液位串级控制系统框图的设计54.3电气原理图的设计55、系统工作原理65.1 水箱工作原理 65.2 PID控制工作原理76、软件流程图及程序的编写77、上位机画面制作98、PID参数整定 108.1 串级控制回路系统的优点108.2 串级控制系统的作用108.3 监控画面参数的调节109、结果111、设计目的和任务1.1 目的利用实验室的多容水箱及其辅助检测设备，并采用 PLC 作为控制器的硬件，设计一 个液位控制系统，使得液位能够尽量保持平稳在设定的范围内通过课程设计，加强对课程的
4、理解与掌握，学会查寻资料、方案比较，以及设计计 算及系统调试等环节，初步掌握PLC的硬件设计和软件设计，程序调试等PLC系统的开 发过程，进一步提高分析解决实际问题的能力。1.2 主要任务1 了解水箱液位的控制系统的物理结构，闭环调节系统的数学结构和PID控制算法。2 逐一明确检测信号到 PLC 的输入通道，包括传感器的原理、连接方法、信号种类、 引入PLC的接线和PLC的编址。3 逐一明确从 PLC 到各执行机构的输出通道，包括各执行机构的种类和工作原理， 驱动电路的构成，PLC输出信号的种类和地址。4绘制水箱液位控制系统的电路原理图，编制I/O地址分配表。5编制PLC程序，结合实验室现有设
5、备进行调试，要求尽量多的在试验设备上演示 控制过程。2、设计方案提出及选择2.1 液位单闭环控制系统由一个水压力传感器、一个PID控制器、一个控制阀和一个水箱所构成的单闭环控制 系统，通过对液位的不断检测、变送，再于设定值的比较，求得偏差去调节进水流量，以 达到水位达平稳。2.2 液位流量串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后 一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器， 它所检测和控制的变量为水箱液位；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制 的变量为进水流量，是为了稳定主变量（液位）而引入的辅助变量。由于本实验要求液位
6、能够尽量保持平稳在设定的范围内，对液位的要求比较高，在这 种情况下,水箱液位控制系统由于控制过程特性呈现大滞后、外界环境的扰动较大，要保 持水箱液位最后能保持设定值，液位单闭环控制系统已经难以满足控制要求，难以达到实 现很好的控制效果，所以采用串级闭环反馈系统。3、液位串级控制系统组成结构3.1 串级控制系统的组成本实验装置主要包含水箱、压力变送器、流量变送器、西门子S7-300PLC控制系统、 SA01电源控制屏、变频器、软件为西门子S7系列PLC编程软件、西门子WinCC监控组 态软件。系统应用的是西门子S7-300系列的PLC，其结构简单，使用灵活且易于维护。它采 用模块化设计，本系统主
7、要包括 CPU 模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和电源模块。3.1.1 硬件介绍被控对象水箱：供水系统有两路：一路由三相（380V恒压供水）磁力驱动泵、电动调节阀、 直流电磁阀、涡轮流量计及手动调节阀组成；另一路由变频器、三相磁力驱动泵（ 220V 变频调速）、涡轮流量计及手动调节阀组成；检测装置 压力传感器、变送器：三个压力传感器分别用来对上、中、下三个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。采用标准二线制传输方式，工作时 需提供24V直流电源，输出：420mADC。流量传感
8、器、变送器：三个涡轮流量计分别用来对由电动调节阀控制的动力支路、由 变频器控制的动力支路及盘管出口处的流量进行检测。它的优点是测量精度高，反应快。 采用标准二线制传输方式，工作时需提供24VDC。流量范围：01.2M，精度：1.0%；输 出： 4 20mADC。控制屏SA-01 电源控制屏面板：合上总电源空气开关及钥匙开关，此时三只电压表均指示 380V 左右，定时器兼报警记录仪数显亮，停止按钮灯亮。此时打开照明开关、变频器开 关及24V开关电源即可提供照明灯，变频器和24V电。按下启动按钮，停止按钮灯熄， 启动按钮灯亮，此时合上三相电源、单相I、单相II、单相III空气开关即可提供相应电源
9、输出，作为其他设备的供电电源。执行结构变频器：SA-11交流变频控制挂件采用日本三菱公司的FR-S520S-0.4K-CH（R）型变频 器，控制信号输入为420mADC或05VDC，交流220V变频输出用来驱动三相磁力驱 动泵。三相磁力驱动泵（220V变频调速）：本装置采用两只磁力驱动泵一只为三相380V恒 压驱动，另一只为三相变频220V输出驱动。控制器西门子S7-300PLC控制系统：西门子S7-300是采用模块化结构的中小型PLC,包括 一个CPU313主机模块、一个SM331模拟量输入模块和一个SM332模拟量输出模块，以 及一块西门子CP5611专用网卡和一根MPI网线。其中SM33
10、1为8路模拟量输入模块， SM332为4路模拟量输出模块。3.1.2 软件介绍西门子S7系列PLC编程软件：本装置中PLC控制方案采用了德国西门子公司的 S7-300PLC，而西门子S7-300PLC采用的是Step 7编程软件。利用这个软件可以对相应的 PLC进行编程、调试、下装、诊断。西门子WinCC监控组态软件：S7-300PLC控制方案采用WinCC软件作为上位机监控组态软件，WinCC是结合西门子在过程自动化领域中的先进技术和Microsoft的强大功能 的产物。作为一个国际先进的人机界面(HMI)软件和SCADA系统，WinCC提供了适用于 工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能
11、模板；并具有高性能的过程耦合、快速的画 面更新、以及可靠的数据；WinCC还为用户解决方案提供了开放的界面，使得将WinCC 集成入复杂、广泛的自动化项目成为可能。r 电諒总士关毗 LH: 01単相III单枸II单相T三拥电卑I 0：| 单柘屯站悄曲:单 lai lLw图5液位流量制系统电气原理图5、系统工作原理51水箱工作原理水箱液位串级控制系统，它是由主控、副控两会路组成，主控回路的调节器称主调节 器，控制对象为水箱，水箱的液位为系统的主控制量，副控制回路中的调节器称副调节器， 流入水箱的流量作为副控制量，主调节器的输出作为副调节器的给定，副调节器的输出直 接调节电磁阀的转速，改变进入水箱
12、的泵的流量，从而达到控制水箱液位的目的；在该控 制系统中，由于水箱存在容积延迟，从而导致该过程的难以控制。串级控制是改善调节过 程动态性能的有效方法，由于其超前的控制作用，可以大大克服系统的容积延迟。采用一 步整定法，通过WINCC组态软件对整定过程及液位的平衡过程进行实时监控，直至达到 主、副回路的最佳整定参数。52 PID控制工作原理比列环节对过程的影响：比例度6越大，放大倍数Kc越小，最大偏差增大，调节周 期增长，稳定性增加；积分环节对过程的影响：Ti越小，克服余差的能力提高，最大偏差减小，调节周期缩 短：但是过渡过程震振荡加剧，稳定性降低，积分时间越短，振荡倾向就越强烈，甚至会 成为不稳定的发散振荡。微分环节对过程的影响：主要是对控制系统的振荡的抑制，改善调节过程中的动态特 性，克服滞后，通常和比例、比例微分配合使用。比例度越大，放大倍数越小，积分时间越长，积分作用越弱，微分时间越长，微分作 用越强6、软件流程图及程序的编写=wAru5 run皿-P!MT亠0WS这是一个将int型数据变换为real型数据的 变换，为数据的变换做准备，保存为FC1Ilfpitaa
