A3000实验台双水箱液位串级控制系统设计.docx
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A3000实验台双水箱液位串级控制系统设计
摘要
现代工业的发展对控制系统的控制品质提出了新的要求,简单的单回路控制已经难以满足一些复杂的控制要求。
串级控制系统把两个单回路控制系统以一定的结构形式串联在一起,它不仅具有单回路控制系统的全部功能,而且还具有许多单回路控制系统所没有的优点。
本论文论述了一个基于S7200的液位——流量串级控制系统的设计方法和步骤,在A3000过程控制实验系统上,我被控对象进行了数学建模,,进行了串级控制系统的设计,并对PID参数进行了整定,并使用了组态王开发了监控画面,进行对下位机的监控。
关键词:
串级控制;液位;流量;监控
Abstract
Thedevelopmentofmodernindustrialcontrolsystemstocontrolthequalityofproposednewrequirements,asimplesingle-loopcontrolhasbeendifficulttomeetsomeofthecomplexcontrolrequirements.Cascadecontrolsystemofthetwosingle-loopcontrolsysteminserieswithacertainstructure,itnotonlyhasthesingle-loopcontrolsystemforallfunctions,butalsosingle-loopcontrolsystemhasmanyadvantagesnotavailable.ThispaperdiscussesaliquidlevelbasedonS7200-flowcascadecontrolsystemdesignmethodsandprocedures,processcontrolexperimentintheA3000,Iamchargedwithamathematicalmodelobjects,carriedoutthedesignofcascadecontrolsystem,andthePIDparameterstuning,andusethemonitorscreenKingviewdevelopedtoconductsurveillanceonthelowercomputer.
Keywords:
Cascadecontrol;liquidlevel;flow;monitoring
附录一
程序梯形图
附录二
英文翻译
附录三
英文原文
第一章绪论
1.1选题背景
A3000过程控制实验系统包括了测试对象单元,供电系统,传感器,执行器(包括变频器及移相调压器),从而组成了一个只需接受外部标准控制信号的完整,独立的现场环境。
如图所示液位串级控制实验。
要求以串级控制系统来控制下水箱液位,以中水箱为副对象,右边水泵直接向中水箱注水,时间常数小、时延小,控制通道短,从而可加快提高响应速度,缩短过渡过程时间,符合副回路选择的超前,快速、反应灵敏等要求。
下水箱为主对象,水需要经过中水箱才能进入下水箱,时间常数比较大,时延大。
1.2被控对象
液位双水箱液位串级控制系统主要包括的对象有:
中水箱、下水箱、储水箱、电磁阀,电动调节阀,变频器,增压泵和送水管道以及管道中用到的旋塞阀。
这些设备可以构成两个回路:
一个是由由中水箱、下水箱、储水箱、变频器、增压泵、电磁阀、部分供水管道以及管道中用到的旋塞阀。
由变频器控制增压泵的出水量来调整进入中水箱的水量。
而两外一个回路是由中水箱、下水箱、储水箱、电动调节阀、增压泵、部分供水管道以及管道中用到的旋塞阀构成。
这条回路主要通过控制电动调节阀的开度来调整进入中水箱的水量。
1.3控制系统要求
双水箱液位串级控制系统要求能够较准确的建立起双水箱的数学模型,并且选择合适的变量作为控制变量,控制下水箱液位达到设定值,并对干扰有比较快的响应速度,能在较短的时间内克服扰动,达到理想的控制效果。
第二章系统方案选择
2.1常见控制规律的类型
比例积分微分调节(PID调节)
PID调节器的动作规律是
(3.8)
或
(3.9)
式中δ、TI和TD参数意义与PI、PD调节器相同。
2.2控制方案的比较选择
单回路控制系统是过程控制中结构最简单的一种形式,它只用一个调节器,调节器也只有一个输入信号,从系统方框图看,只有一个闭环。
在大多数情况下,这种简单系统已经能够满足工艺生产的要求,因此,它是一种最基本的、使用最广泛的控制系统。
但是也有另外一些情况,譬如调节对象的动态特性决定了它很难控制,而工艺对调节质量的要求又很高;或者调节对象的动态特性虽然并不复杂,但控制的任务却比较特殊,则单回路控制系统就无能为力了。
另外,随着生产过程向着大型、连续和强化方向发展,对操作条件要求更加严格,参数间相互关系更加复杂,对控制系统的精度和功能提出许多新的要求,对能源消耗和环境污染也有明确的限制。
为此,需要在单回路的基础上,采取其它措施,组成复杂控制系统,而串级控制系统就是其中一种改善和提高控制品质的极为有效的控制系统。
液位和流量是工业生产过程中最常用的两个参数,对液位和流量进行控制的装置在工业生产中应用的十分普遍。
液位的时间常数T一般很大,因此有很大的容积迟延,如果用单回路控制系统来控制,可能无法达到较好的控制质量。
而串级控制系统可以用一般常规仪表来实现,成本增加也不大,却可以起到十分明显的提高控制质量的效果,因此往往采用串级控制系统对液位进行控制。
一般情况下,流量是影响液位的主要因素,其时间常数较小,将它纳入副回路进行控制,不仅有效地克服了流量对液位造成的干扰,而且使系统工作频率提高,能够对液位实行较快的控制。
除此之外,还有一些其它的克服大容积迟延的控制方案,例如前馈控制、大迟延滞后补偿控制。
但这两种控制方案较难用一般常规仪表来实现,在经济性和简便性上不如串级控制,一般用在其它有特殊要求的控制系统中,因此液位—流量的控制方案中,串级控制是一种很好的选择。
2.3串级控制系统介绍
2.3.1串级控制整体介绍
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控制器,前一个调节器称为主调节器,它所检测和控制的变量称主变量(主被控参数),即工艺控制指标;后一个调节器称为副调节器,它所检测和控制的变量称副变量(副被控参数),是为了稳定主变量而引入的辅助变量。
整个系统包括两个控制回路,主回路和副回路。
副回路由副变量检测变送、副调节器、执行机构和副过程构成;主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、执行机构和主过程构成。
2.3.2串级控制系统的工作过程及应用场合
当扰动发生时,破坏了稳定状态,调节器进行工作。
根据扰动施加点的位置不同,可以分为三种情况:
扰动作用于副回路、扰动作用于主回路和扰动同时作用于副回路和主回路。
在串级控制系统中,由于引入了一个副回路,不仅能及早克服进入副回路的扰动,而且又能改善过程特性。
副调节器具有“粗调”的作用,主调节器具有“细调”的作用,从而使其控制品质得到进一步提高。
串级控制系统的特点包括它能改善了过程的动态特性,提高系统控制质量;能迅速克服进入副回路的二次扰动;能提高了系统的工作频率;对负荷变化的适应性较强等等。
因此,它可以很好的适用于以下工业应用场合:
1.用于克服被控过程较大的容量滞后
在过程控制系统中,被控过程的容量滞后较大,特别是一些被控量是温度等参数时,控制要求较高,如果采用单回路控制系统往往不能满足生产工艺的要求。
利用串级控制系统存在二次回路而改善过程动态特性,提高系统工作频率,合理构造二次回路,减小容量滞后对过程的影响,加快响应速度。
在构造二次回路时,应该选择一个滞后较小的副回路,保证快速动作的副回路。
2.用于克服被控过程的纯滞后
被控过程中存在纯滞后会严重影响控制系统的动态特性,使控制系统不能满足生产工艺的要求。
使用串级控制系统,在距离调节阀较近、纯滞后较小的位置构成副回路,把主要扰动包含在副回路中,提高副回路对系统的控制能力,可以减小纯滞后对主被控量的影响。
改善控制系统的控制质量。
3.用于抑制变化剧烈幅度较大的扰动
串级控制系统的副回路对于回路内的扰动具有很强的抑制能力。
只要在设计时把变化剧烈幅度大的扰动包含在副回路中,即可以大大削弱其对主被控量的影响。
4.用于克服被控过程的非线性
在过程控制中,一般的被控过程都存在着一定的非线性。
这会导致当负载变化时整个系统的特性发生变化,影响控制系统的动态特性。
单回路系统往往不能满足生产工艺的要求,由于串级控制系统的副回路是随动控制系统,具有一定的自适应性,在一定程度上可以补偿非线性对系统动态特性的影响。
2.3.3串级控制系统的设计
串级控制系统的设计主要包括主回路的设计、副回路的设计以及主副回路间参数的匹配这三个方面,下面进行较为详细的说明:
1.主回路的设计
串级控制系统的主回路是定值控制,其设计单回路控制系统的设计类似,设计过程可以按照简单控制系统设计原则进行。
这里主要解决串级控制系统中两个回路的协调工作问题。
主要包括如何选取副被控参数、确定主、副回路的原则等问题。
2.副回路的设计
由于副回路是随动系统,对包含在其中的二次扰动具有很强的抑制能力和自适应能力,二次扰动通过主、副回路的调节对主被控量的影响很小,因此在选择副回路时应尽可能把被控过程中变化剧烈、频繁、幅度大的主要扰动包括在副回路中,此外要尽可能包含较多的扰动,可归纳如下:
(1)在设计中要将主要扰动包括在副回路中。
(2)将更多的扰动包括在副回路中。
(3)副被控过程的滞后不能太大,以保持副回路的快速相应特性。
(4)要将被控对象具有明显非线性或时变特性的一部分归于副对象中。
(5)在需要以流量实现精确跟踪时,可选流量为副被控量。
在这里要注意
(2)和(3)两条不能单方面考虑,将更多的扰动包括在副回路中有可能导致副回路的滞后过大,这就会影响到副回路的快速控制作用的发挥,因此,在实际系统的设计中要兼顾
(2)和(3)的综合。
3·主、副回路的匹配
(1)主、副回路中包含的扰动数量、时间常数的匹配
设计中考虑使二次回路中应尽可能包含较多的扰动,同时也要注意主、副回路扰动数量的匹配问题。
副回路中如果包括的扰动越多,其通道就越长,时间常数就越大,副回路控制作用就不明显了,其快速控制的效果就会降低。
如果所有的扰动都包括在副回路中,主调节器也就失去了控制作用。
原则上,在设计中要保证主、副回路扰动数量、时间常数之比值在3~10之间。
比值过高,即副回路的时间常数较主回路的时间常数小得太多,副回路反应灵敏,控制作用快,但副回路中包含的扰动数量过少,对于改善系统的控制性能不利;比值过低,副回路的时间常数接近主回路的时间常数,甚至大于主回路的时间常数,副回路虽然对改善被控过程的动态特性有益,但是副回路的控制作用缺乏快速性,不能及时有效地克服扰动对被控量的影响。
严重时会出现主、副回路“共振”现象,系统不能正常工作。
(2)主、副调节器的控制规律的匹配、选择
在串级控制系统中,主、副调节器的作用是不同的。
主调节器是定值控制,副调节器是随动控制。
系统对二个回路的要求有所不同。
主回路一般要求无差,主调节器的控制规律应选取PI或PID控制规律;副回路要求起控制的快速性,可以有余差,一般情况选取P控制规律而不引入I或D控制。
如果引入I控制,会延长控制过程,减弱副回路的快速控制作用;也没有必要引入D控制,因为副回路采用P控制已经起到了快速控制作用,引入D控制会使执行器的动作过大,不利于整个系统的控制。
(3)主、副调节器正反作用方式的确定
学习中我们认识到,一个过程控制系统正常工作必须保证采用的反馈是负反馈。
所以该设计中的串级控制系统主、副调节器作用方式确定的原则是要保证两个回路均为负反馈。
确定过程是首先判定为保证内环是负反馈副调节器应选用那种作用方式,然后再确定主调节器的作用方式。
以液位串级控制系统为例,说明主、副调节器正反作用方式的确定。
在上图所示的串级控制系统框图中可以看到,由于副回路可以简化成一个正作用方式环节,主对象作用方式为正,主测量变送环节为正。
根据单回路控制系统设计中介绍的闭合系统必须为负反馈控制系统设计原则,即闭环各环节比例度乘积必须为正,故主调节器均选用反作用调节器,副调节器均选用反作用调节器。
2.4主副控制对象的选择
控制对象的以中水箱为副对象,水泵直接向中水箱注水,时间常数小,时延小,控制通道短,从而可加快提高响应速度,缩短过渡过程时间,符合副回路选择的超前,快速,反应灵敏等要求。
下水箱为主对象,水需要经过中水箱才能进入下水箱,时间常数比较大,时延大。
流量作为副变量,那么在下水箱液位变动时,流量做出相应的调整,以使其克服下水箱液位的变动。
本设计目的是要控制下水箱的液位值恒定,因此选择下水箱的液位为主控变量,而对于副控变量的选择上就可以有所不同,基于设备现有的条件,我选择中水箱液位作为副变量也可以选择流入中水箱的水流量为副变量。
其实二者在本质上具有相同性,如果副变量选为中水箱的液位,那么在下水箱液位高升高的情况下,必须调小泵入中水箱中的水流量,流量减小后一段时间,必然上水箱液位的液位上升速度减缓,甚至应该出现液位下降的现象,随着单位时间内上水箱进入下水箱水量的减小,并且下水箱出水量基本保持不变,则克服了下水箱液位的升高。
如果选择流入中水箱的出水口压力不同,对中水箱的出水量有一定的影响,但是以流量作为副控变量的时间常数明显要小于以液位作为副控变量的时间常数,再加上中水箱液位的小幅度变化对其出水口的出水量产生的影响也不是很大,综合考虑,我选择流入中水箱的水流量作为副控变量。
液位给定
液位给定
下水箱
PLC
PLCC
液位变送器
流量变送器
中水箱
变频器
液位
输出
2.5控制器的选择
2.5.1PLC的特点及应用
PLC其主要特点如下:
1.抗干扰能力强,可靠性高2.控制系统结构简单,通用性强3.编程方便,易于使用4.功能完善5.设计、施工、调试的周期短6.体积小,维护操作方便。
,使用情况大致可归纳为以下6钟类型:
(1)开关量的逻辑控制
(2)模拟量控制
(3)运动控制
(4)过程控制
(5)数据处理
(6)通信及联网。
由于微处理器芯片及有关元件的价格大大下降和PLC功能的不断完善及增强两方面的原因,目前,PLC在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、造纸、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。
2.5.2PLC的工作阶段
PLC的3个工作阶段。
当PLC投入运行后,其工作过程一般分为采样阶段、用户程序执行阶段和输出刷新阶段三个阶段。
完成上述3个阶段即称为一个扫描周期。
在整个运行期间,PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述3个阶段。
PLC的扫描工作过程框图如图所示,它清楚地描述了PLC扫描的工作过程。
图PLC的扫描工作过程
(1)输入采样阶段。
PLC在输入采样阶段,先扫描所有输入端子并将各输入端子状态存入各对应的输入元件映像寄存器。
此时,输入元件映像寄存器被刷新,接着进入用户程序执行阶段。
在用户程序执行阶段或输出阶段,输入元件映像寄存器与外界隔离,无论输入端子信号如何变化,输入元件映像寄存器被容始终保持不变,直到下一个扫描周期的输入采样阶段才将输入端子的新内容重新写入。
(2)用户程序执行阶段。
根据PLC梯形图程序扫描规则,PLC以先左后右,先上后下的步序逐句扫描。
当指令中设计输入/输出状态时,PLC从输入映像寄存器中“读入”上一阶段踩入的对应输入端子状态,从输出映像寄存器“读入”对应输出映像寄存器的当前状态。
然后,进行相应的运算,运算结果再存入元件映像寄存器中。
对元件映像寄存器,每一个元件(输出软继电器)的状态会随程序的执行过程而变化。
(3)输出刷新阶段。
在所有指令执行完毕后,输出映像寄存器中所有输出继电器的状态(通/断)在输出刷新阶段转存到输出锁存器中,通过一定方式输出驱动外部负载。
对于小型PLC,I/O点数较少,用户程序较短,用集中采样集中输出的工作方式,虽然在一定程度上降低了系统的响应速度,但从根本上提高了系统的抗干扰能力,增强了系统的可靠性。
大、中型PLC因I/O点数较多,控制功能强,用户程序长,为提高响应速度可以采用定周期输入采样,输出刷新;也可以采用直接输入采样阶段,直接输出刷新,中断输入/输出和智能化输入/输出接口等方式。
2.5.3PLC对输入/输出的处理规则
根据上述工作特点,归纳出PLC对输入/输出的处理原则如下。
(1)输入映像寄存器的数据取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新器件的通/断状态。
(2)程序如何执行取决于用户所编写程序和输入/输出映像寄存器的内容及各元件映像寄存器的内容。
(3)输出映像寄存器的数据,取决于输出指令的执行结果。
(4)输出锁存器中的数据,由上一次输出刷新期间输出映像寄存器中的数据决定。
(5)输出端子的通/断状态,由输出锁存器决定。
2.5.4软PLC的介绍
软PLC开发系统实际上就是带有调试和编译功能的PLC编程器,此部分具备如下功能:
①编程语言标准化,遵循IEC61131-3标准,支持多语言编程(共有5种编程方式:
IL,ST,LD,FBD和SFC),编程语言之间可以相互转换;②丰富的控制模块,支持多种PID算法(如常规PID控制算法、自适应PID控制算法、模糊PID控制算法、智能PID控制算法等等),还包括目前流行的一些控制算法,如神经网络控制;③开放的控制算法接口,支持用户嵌入自己的控制算法模块;④仿真运行,实时在线监控,在线修改程序和编译;⑤强大的网络功能支持基于TCPIP网络,通过网络实现PLC远程监控,远程程序修改。
软plc的应用特点为:
①体现了IPC,PLC和DOC先进技术的集成。
可充分利用PC平台上的硬件和软件资源,使控制系统更具特色;②系统更开放,应用更方便。
软件PLC通过自己开发工具提供的OPC功能和Active控件,既可连接Office软件,也可连接用VB,VC开发的软件;③基于PC+现场总线+分布式IO的控制系统简化了复杂控制系统的体系结构,提高了通信效率和速度,降低了投资成本。
2.5.5单片机简介
单片机也被称为微控制器(MicrocontrollerUnit),单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
单片机内部也用和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件,不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多,不过价钱也是低的,它主要是作为控制部分的核心部件。
单片机是靠程序运行的,并且可以修改。
通过不同的程序实现不同的功能。
目前单片机渗透到我们生活的各个领域,单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。
2.5.6控制器的选择
尽管软PLC技术具有很大的发展潜力,但是这项技术的实现需要解决一些重要的题。
其中主要是以PC为基础的控制引擎的实时性问题。
软PLC首选的操作系统是WindowsNT,但是它并不是一个硬实时的操作系统。
传统PLC具有硬实时性,正因为如此它才能提供快速、确定而且可重复的响应。
而要让WindowsNT具有硬实时性,必须对它进行扩展,使得PC的控制任务具有最高的优先级,不因为NT的系统功能和用户程序的调用而被抢占。
单片机缺点:
速度慢,功能不强,精度低,适合民用,商用,不适合工业用途。
PLC是专为工业自动化设计的,在控制电路这一块,功能的强大是前两者无法比拟的,通过多种多样的扩展模块,使外部接线量小、内部工作性能的可靠性高,易学易懂,虽然单个CPU贵,但性价比是最高的。
因此,我选择了PLC作为控制器。
第三章供配电设计及器件选型
3.1主回路部分
在本设计中,电能虽然是工业生产的主要能源和动力,但是它在产品成本中所占的比重一般很小(除电化工业外)。
电能在生产中的重要性,并不在于它在产品成本中或投资总额中所占的比重多少,而在于工业生产实现电气化以后可以大大增加产量,提高产品质量,提高生产效率,降低生产成本,改善工人的劳动条件,有利于实现生产过程自动化。
从另一方面来说,如果工厂的电能供应突然中断,则对工业生产可能造成严重的后果。
因此,做好供配电工作对于发展工业生产实现工业现代化,具有十分重要的意义。
由于能源节约是供电工作的一个重要方面,而能源节约对于国家经济建设具有十分重要的战略意义,做好供配电设计,对于节能、支援国家经济建设,也具有重大的作用。
系统的供配电要切实的保证各个器件的需要,并做好节能工作,就必须达到以下基本要求:
(1)安全在电能的供应、使用中,不应发生人身事故和设备事故。
(2)可靠应满足电能用户对供电可靠性的要求。
(3)优质应满足电能用户对电压和频率等质量的要求。
(4)经济供电系统的投资要少,运费要低,并尽可能地节约电能和减少有色金属的消耗量。
由于此次设计基于A3000实验台,因此供配电设计也是基于实验室而设计。
给所有设备进行供电时,选择三线四相制接线。
此次供配电部分设计中,主要是给液位变送器、PLC、PC、变频器、增压泵以及照明供电.其中水泵选择了两相接线。
断路器QM可以对线路、电气设备及电动机实行保护,当发生严重过电流、过载、短路、断相、漏电等故障时,自动切断电路,起到保护作用;熔断器FU在当电路发生严重过载或短路时,熔体熔断而切断电路,达到保护的目的;QM1是断路器QM的触点,起到接触器的作用;热继电器FR是用于电动机或其它电气设备、电气线路的过载保护。
PLC、PC需要220V的交流电供电;而液位变送器只需要24V直流供电,因此可将220V交流电经开关电源降到24V直流电以供使用。
选用的S7-200PLC是一种小型PLC,其结构紧凑,功能强大,适用于各行各业,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。
因此S7-200系列具有极高的性/价比。
在本设计中,选用变频器的目的是为了高效安全的控制水泵电机的转速,从而控制水介质的流量。
通过分析我选择三菱FR-DT20S-0.4K-CHT型变频器。
3.2控制回路的设计
控制回路如下图3.2所示:
图3.2电气接线图
名称
作用
继电器KA1
系统上电状态检测
继电器KA2
允许自动状态检测
继电器KA3
自动状态输出
继电器KA4
变频器故障
继电器KA5
变频器正转启动
继电器KA6
变频器正常运转状态检测
断路器QM
上电;过流保护;
指示灯HL0
上电指示
按钮开关SB1
停止
按钮开关SB2
自动状态开始按钮
选择开关SW
手/自动状态切换
其动作过程为:
当QM接通时KA1线圈带电,KA1触点吸合,PLC上电,同时PLC上电指示灯HL0亮。
当转换开关SW拨到手动时,如果按下SB2,KA5带电,并通过其触点来实现自锁。
当转换开关SA拨到自动时,KA2线圈带电,PLC检测到信号,PLC输出信号使线圈KA3带电,KA3触点吸合,使得KA5线圈带电,KA5通过其触点的自锁来实现自动控制。
3.3元器件
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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