单容水箱液位恒值控制系统设计毕业设计Word文档下载推荐.docx
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作为工业控制计算机,PLC能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。
PID调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。
大中型PLC都有PID模块,LI前许多小型PLC也具有此功能模块。
PID处理一般是运行专用的PID子程序。
过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。
关键词:
PID控制过程控制液位控制PLC
Abstract
Accordingtotheprincipleoflevelsystemprocesstoestablishamathematicalmodelofthesingle-tankwater.PIDalgorithmandPLCknowledgeusedinthede-sign.PIDlevelcontrolanaloginterfaceandalgorithm,systemsimulation,andingPIDparameters,obtainedaftersettingthesimulationcurveandtheactualcurve・Themaincontentofthispaperinclude:
PLCgenerationanddefinition,developmentofprocesscontrol,S7-200programmablecontrollerhardwaregraspthecomparisonoftheperformanceofPIDparametertuningandparametercontrol,PIDcontrolalgorithmexperimentalcurveanalysis,partoftheintroductionoftheentiresystemandexplainthePLCprocesscontroltankwaterlevelcontrolinstructionsPIDinstruction・
PLCinawiderangeofindustrialautomationapplications.PIDcontrolafteraverylongperiodofdevelopment,hasbecomeanimportantmeansofcontrolintheindus-try.ThedesignisbasedonPLCPIDalgorithmtocontroltheliquidlevel.PLCviathesensingcircuit,theheightofliquidacquisition,andthenaftertheautomaticadjustmentAfterthePIDparametersisdeterminedtoachievealiquidlevelcontrol,throughthecontroloftheworkingtimeoftheDCpump・MCGS(monitoringandcontrolofthegeneralsystem)configurationPCmonitoringsystemfortherapidconstructionofsoftwaresystems,diemonitoringaspectsofthesystemdesignbyMCGS・SothatwecanthroughtheconfigurationscreenoftheliquidlevelandpumpstartandstopmonitoringthePLCandcanstart,stop,settheheightofliquidlevelcontrol.Entiresystemisstable,simpleandpractical,onMCGSPLCcommunicationsmooth・
Processcontrolistheclosed-loopcontroloftemperature,pressure,flowandotheranalog・Asindustrialcontrolcomputer,PLCprogramcanprepareawidevarietyofcontrolalgorithms,thecompletionoftheclosed-loopcontrol.PIDregulatorisgenerallyclosed-loopcontrolsystemusedmoreadjustmentmethod・Medium-sizedPLChasPIDmodule,manysmallPLCwiththisfunctionmodule.ThePIDtreatmentgenerallyrundedicatedPIDsubroutine・Processcontrolinmetallurgy,chemicalindustry,heattreatment,boilercontrol,andotheroccasionsthereisaverywiderangeofapplications.
Keywords:
PIDcontrolPLCprocesscontrollevelcontrol
摘要I
AbstractII
第一章绪论1
过程控制的定义及发展1
1・2本文研究的目的、意义2
1・3本文研究的主要内容3
第二章硬件设计4
2.1单容水箱液位系统整体组成4
2・2执行器的选择4
2.3液位变送器的选择5
2.4PLC的概述6
2.5西门子S7-200控制系统8
2.5.1CPU模块9
2.5.2I/O单元及I/O扩展接口9
2.5.3电源部分10
2.6西门子S7-200的工作原理10
第三章算法设计12
3.1水箱液位控制系统原理框图12
3.2水箱液位控制系统的数学模型13
3.3PID算法的工作控制原理和特点15
3.4PID控制器参数整定16
3.4PID参数的调整原则18
3.5PID调节各个环境及其调节过程18
3.5.1比例(P)控制及调节过程18
3.5.2比例积分(PI)控制及调节过程19
3.5.3比例积分微分(PID)控制及调节过程20
第四章系统设计22
4・1MCGS通用监控系统的构成及其主要功能22
4.2MCGS通用监控系统的创建过程23
4.3系统设计PLC程序24
4.4系统界面的制作和调试28
4.4.1设备配置28
4・4・2新建画面28
4.4.3设备连扌套32
第五章总结37
参考文献38
第一章绪论
讣算机控制是自动技术的重要应用领域,它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制,在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。
尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用,比如,民用水塔的供水,如果水位太低,则会影响居民的生活用水;
工矿企业的排水与进水,如果排水或进水控制得当与否,关系到车间的生产状况;
锅炉汽包液位的控制,如果锅炉内液位过低,会使锅炉过热,可能发生事故;
精流塔液位控制,控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。
在这些生产领域里,基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质,极容易出现操作失误,引起事故,造成厂家的的损失。
可见,在实际生产中,液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。
所以,为了保证安全条件、方便操作,就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。
19世纪70年代以来(全盘自动化阶段):
发展到现代过程控制的新阶段,主要特点:
检测和控制仪表——新型仪表、智能化仪表、微型计算机;
过程控制系统结构由单多变量系统,由PID控制规律在通过PLC程序与在MCGS组态软件下做出的动态界面进行动态连接,在经过检查证明组态的设置没有错误后,进入MCGS的运行环境,可以在HCGS运行环境下看到液位的实时曲线的变化输出情况,随时对水箱的液位状况进行调整和监测。
在运行环境中可以通过鼠标在线的改变PID的参数设定值来实现对上下水箱的液位调节和控制,可以使系统达到要求值,从而大大提高了工作效率。
仁1过程控制的定义及发展
生产过程自动化,一般是指石油、化工、冶金、炼焦、造纸、建材、陶瓷及电力发电等工业生产中连续的或按一定程序进行的生产过程的自动控制。
电力拖动及电动机运转等过程的自动控制一般不包括在内。
凡是采用模拟或数字控制方式对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制通称为过程控制。
过程控制是自动控制学科的一个重要分支,是对过程控制系统进行分析与综合。
进入90年代以来,自动化技术发展很快,并取得了惊人的成就,已成为国家高科技的重要分支。
过程控制是自动化技术的重要组成部分。
在现代工业生产自动化中,过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
在本世纪40年代前后,工业生产大多处于手工操作的状态,人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。
生产过程中的喝参数靠人工观察,生产过程的操作也靠人工去执行。
因此,当时的劳动效率是很低的。
40年代以后,生产自动化发展很快。
尤其是近年来,过程控制技术发展更为迅速。
纵观过程控制的发展历史,大致经历了下述儿个阶段:
50年代前后,过程控制开始得到发展。
一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。
这是过程控制发展的第一阶段。
这阶段主要的特点:
检测和控制仪表普遍釆用基地式仪表和部分组合仪表;
过程控制结构大多数是单输入单输出系统;
被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数;
控制U的是保持这些参数的稳定,消除或减少对生产过程的主要扰动。
60年代,随着工业生产的不断发展,对过程控制提出了新的要求;
随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件,开始了过程控制的第二阶段。
在仪表方面,开始大量采用单元组合仪表。
为了满足定型、灵活、多功能的要求,有出现了组合仪表,它将各个单元划分为更小的功能块,以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。
70年代以来,随着现代工业生产的迅猛发展,仪表与碾件的开发,微型机算计的开发应用,使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。
对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用汁算机系统进行多参数综合控制,或者用多台讣算机对生产过程进行控制和经营管理,是这一阶段的主要特征。
过程控制发展到现代过程控制的新阶段,这是过程控制发展的第三阶段。
在新型的自动化技术工具方面,开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表;
在测量变送器方面,教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛;
在模拟式调节仪表方面,不仅III型仪表产品品种增加,可靠性提高,而且是本质安全防爆,适应了各种复杂控制系统的要求。
仁2本文研究的目的、意义
为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。
从而我们现在就引入了工业生产的自动化控制。
在自动化控制的工业生产过程中,一个很重要的控制参数就是液位。
一个系统的液位是否稳定,直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。
随着现在工业控制的要求越来越高,一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求,所以我们就乂引入了可编程逻辑控制(乂称PLOo引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
液位控制系统它使我们的生活、生产都带来了不可想象的变化。
它使在控制中更加的安全,节约了更多的劳动力,更多的时间。
在我国随着社会的发展,很早就实行了自动控制。
而在我国液位控制系统也利用得相当的广泛,特别在锅炉液位控制,水箱液位控制。
还在黄河治水中也的到了利用,通过液位控制系统检测黃河的水位的高低,以免山于黄河水位的过高而在不了解的情况下,给我们人民带来生命危险和财产损失。
1.3本文研究的主要内容
本次设计主要是综合应用所学知识,设计单容水箱液位控制系统的设计,并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。
能够较全面地巩固和应用“计算机控制系统”课程中所学的基本理论和基本方法,并初步掌握讣算机系统设计的基本方法。
该课题主要用泵作为原动力,把水从低处抽到高液位池,实现对高液位池液位高度的自动控制。
具体设计内容是利用西门子S7-200PLC作为控制器,在控制策略上,它依然沿用传统的PID控制,把PID算法做成模块,固化在PLC中。
IIIPID控制规律在通过PLC程序进行动态连接,实现对单容水箱液位高度的定值控制,同时利用MCGS组态软件建立单容水箱液位控制系统的监控界面,实现实时监控的LI的。
从工业控制的实际应用角度出发,是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS组态软件上得以实现,提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围,大大提高了系统的控制水平。
第二章硬件设计
2.1单容水箱液位系统整体组成
如图2-1所示,将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。
水通过电动调节阀进入水箱中,用PLC给液位一个设定值sp,通过液位变送器测量液位量得到测量值pv,当测量值pv减去设定值sp等于一个负值时,PLC就会控制电动调节阀的开口增大,从而加大进水量。
反之,测量值pv减去设定值sp是个正值,就会减少电动阀开口减少进水量。
再用电脑制作组态页面达到远程自动化控制。
电动调节阀1
图2-1系统控制示意图
2.2执行器的选择
执行器在控制系统中起着极其重要的作用。
控制系统的控制性能指标与执行器的性能和正确选用有着十分密切的关系。
执行器接受控制其输出的控制信号,实现对操纵变量的改变,从而使被控变量向设定值靠拢。
执行器位于控制回路的最总端,因此又称为最终元件。
本设计所使用的执行器为控制阀,也称调节阀。
控制阀发装现场,通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易渗透、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作。
如果选择不当或维修不妥,就会使整个系统无法正常运作。
经验表明,控制系统不能正常运行的原因,多数发生在控制阀上。
对于系统控制阀的选择很重要。
控制阀接受控制器输出的控制信号,通过改变阀的开度来达到控制流量的LI的。
控制阀有执行机构和调节机构两部分组成。
执行机构是根据可能稚气的控制信号产生推力或位移的装置,调节机构是根据执行机构的输出信号
去改变能量或物料输送量的装置。
控制阀按其能源形式可分为气动、电动、液动三大类。
液动控制阀推力最大,但比较笨重,LI前已经极少使用。
电动控制阀的能源取用方便,信号传递迅速,但结构复杂、防爆性能差。
气动控制阀采用压缩空气作为能源,其特点是简单、动作可靠、平稳、输出推力较大、维修方便、防火防爆而且价格较低,因此得到广泛应用。
气动控制阀可以方便的与电动仪表配套使用,即使是采用电动仪表或计算机控制时,只要经过电一气转换阀门定位器将电信号转换为20-100kPa的标准气压信号仍可采用气动控制阀。
据上述我们最终选择了直通单座调节阀作为本课题的执行器,该阀具有泄漏小、许用压差小、流路复杂、结构简单的特点,适用于泄漏要求严、工作压差小的干净介质场合。
2.3液位变送器的选择
测量变送环节的作用是将工业生产过程中的参数经过检测、变送单元转换成标准信号。
在模拟仪表中,标准信号通常采用4—20mADC、1—5VDC、0—lOmADC的电流(电压)信号,或20—lOOkPa的气压信号;
在现场总线仪表中,标准信号是数字信号。
下面是生产过程中常用的液位变送器:
(1)浮球式液位变送器
浮球式液位变送器由磁性浮球、测量导管、信号单元、电子单元、接线盒及安装件组成。
一般磁性浮球的比重小于0.5,可漂于液面之上并沿测量导管上下移动。
导管内装有测量元件,它可以在外磁作用下将被测液位信号转换成正比于液位变化的电阻信号,并将电子单元转换成4〜20mA或其它标准信号输出。
该变送器为模块电路,具有耐酸、防潮、防震、防腐蚀等优点,电路内部含有恒流反馈电路和内保护电路,可使输出最大电流不超过28mA,因而能够可靠地保护电源并使二次仪表不被损坏。
(2)浮简式液位变送器
浮筒式液位变送器是将磁性浮球改为浮筒,它是根据阿基米德浮力原理设计•的。
浮筒式液位变送器是利用微小的金属膜应变传感技术来测量液体的液位、界位或密度的。
它在工作时可以通过现场按键来进行常规的设定操作。
(3)静压或液位变送器
该变送器利用液体静压力的测量原理工作。
它一般选用硅压力测压传感器将测量到的压力转换成电信号,再经放大电路放大和补偿电路补偿,最后以4〜20mA或0〜10mA电流方式输出。
(4)电容式物位变送器
电容式物位变送器适用于工业企业在生产过程中进行测量和控制生产过程,主要用作类导电与非导电介质的液体液位或粉粒状固体料位的远距离连续测量和指示。
电容式液位变送器山电容式传感器与电子模块电路组成,它以两线制4〜20mA恒定电流输出为基型,经过转换,可以用三线或四线方式输出,输出信号形成为1〜5V、0〜5V、0〜10mA等标准信号。
电容传感器山绝缘电极和装有测量介质的圆柱形金属容器组成。
当料位上升时,因非导电物料的介电常数明显小于空气的介电常数,所以电容量随着物料高度的变化而变化。
变送器的模块电路山基准源、脉宽调制、转换、恒流放大、反馈和限流等单元组成。
釆用脉宽调特原理进行测量的优点是频率较低,对周围元射频干扰、稳定性好、线性好、无明显温度漂移等。
(5)超声波变送器
超声波变送器分为一般超声波变送器(无表头)和一体化超声波变送器两类,一体化超声波变送器较为常用。
一体化超声波变更新器山表头(如LCD显示器)和探头两部分组成,这种直接输出4〜20mA信号的变送器是将小型化的敬感元件(探头)和电子电路组装在一起,从而使体积更小、重量更轻、价格更便宜。
超声波变送器可用于液位。
物位的测量和开渠、明渠等流量测量,并可用于测量距离。
经过这儿种类型液位变送器的比较,我们最终选择了超声波变送器,可用于测量液位,刚好符合本课题的研究。
而且经济实惠,体积小、重量轻、便于携带。
2.4PLC的概述
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,早期的可编程控制器称作:
可编程逻辑控制器简称PLC,它主要用来代替继电器实现逻辑控制。
随着技术的发展,这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围因此今天这种装置称作可编程控制器,简称PCo但是为了避免与个人计算机的简称混淆,所以将可编程控制器简称PLCo
PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。
它釆用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。
20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。
更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。
20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。
这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。
这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。
这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期,是PLC发展最快的时期,年增长率一直保持为30"
40%o在这时期,PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高,PLC逐渐进入过程控制领域,在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。
从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;
从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;
从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。
U前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。
最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。
接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。
口前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。
上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。
此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。
可以预期,随着我国现代化进程的深入,PLC在我国将有更广阔的应用天地。
2.5西门子S7-200控制系统
图2-5西门子S7-200
SIMATICS7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程
序控制器,适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。
S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能,其应用领域极为广泛,覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。
S7-200系列出色表现在以下儿个方面:
(1)极高的可靠性;
(2)
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