课程设计报告液位控制系统设计.docx

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课程设计报告液位控制系统设计

一、《控制系统分析与综合》任务书

题目：

液位控制系统设计

1.1、工程训练任务

本实训综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，通过本实训的锻炼，使学生掌握自动化系统的基础理论、技术与方法，巩固和加深对理论知识的理解。

本课题针对液位控制系统作初步设计和基本研究，该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。

1.2、工程训练目的

通过本次工程训练使学生掌握运用组态王软件及PLC构建工业控制系统的能力，增强学生对PLC控制系统以及组态王软件的应用能力，培养学生解决实际问题的能力，为今后从事工程技术工作、科学研究打下坚实的基础。

1.3、工程训练内容

1）确定PLC的I/O分配表；

2）根据PID控制算法理论，运用PLC程序实现PID控制算法；

3）编写整个液位控制系统实训项目的PLC控制程序；

4）在组态王中定义输入输出设备；

5）在组态王中定义变量；

6）设计上位机监控画面；

7）进行系统调试。

1.4、工程训练报告要求

报告中提供如下内容：

1、目录

2、任务书

3、正文

4、收获、体会

5、参考文献

1.5、工程训练进度安排

周次

工作日

工作内容

第

一

周

1

布置课程设计任务，查找相关资料

完成总体设计方案

2

3

完成PLC程序设计

完成监控画面设计

4

5

第

二

周

1

调试

2

3

准备训练报告

4

完成训练报告并于下午两点之前上交

5

答辩

1.6、工程训练考核办法

本工程训练满分为100分，从工程训练平时表现、工程训练报告及工程训练答辩三个方面进行评分，其所占比例分别为20%、40%、40%。

二、总体设计方案

2.1、控制系统目标

本课程设计综合运用自动化原理、PLC技术以及组态软件等相关课程，针对双容水箱液位控制系统作初步设计和基本研究。

该系统能对水箱液位信号进行采集，以PLC为下位机，以工控组态软件组态王设计上位机监控画面，运用PID控制算法对水箱液位进行控制。

2.2、控制系统要求

根据控制系统的目标，可以得出该控制系统的要求如下：

系统结构框图

图2.2.1系统结构框图

控制系统框图

图2.2.2控制系统框图

三、硬件设计

3.1、PLC系统设计的基本原则：

（1）应最大限度地满足机械设备和生产过程的控制要求；

（2）确保控制系统安全可靠；

（3）力求控制简单、实用、合理；

（4）系统应留有一定余量。

3.2、PLC控制系统设计的基本内容和步骤：

3.2.1、设计的基本内容：

（1）根据被控对象的工艺拟定控制系统的控制功能及目标；

（2）细化控制系统的各类技术要求；

（3）选型及硬件配置；

（4）编制I/O分配表，绘制PLC系统及其现场设备的接线图；

（5）依据软件说明书，编制PLC应用程序；

（6）编写设计说明书和系统使用说明书、操作规则等；

（7）系统的安装、调试和投运。

[2]

3.2.2、设计的基本步骤：

（1）分析被控对象并提出控制要求；

（2）确定输入输出设备；

（3）选择PLC机型；

（4）分配I/O点并设计PLC外围硬件电路；

（5）程序设计和程序模拟调试；

（6）硬件实施主要进行控制台等硬件的设计与现场施工；

（7）联机调试；

（8）根据调试的最终结果编制技术文件。

3.3、PLC的选型

可编程控制器（ProgrammableLogicController）是计算机技术与自动化控制技术相结合而开发的一种适用工业环境的新型通用自动控制装置，是作为传统继电器的替换产品而出现的。

它采用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，通过数字式或模拟式的输入输出来控制各种类型的机械设备或生产过程。

PLC是该控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。

选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。

3.3.1、PLC机型选择

机型选择的基本原则是在满足控制功能要求的前提下，保证系统工作可靠，维护使用方便及最佳的性能价格比。

（1）结构合理

对于工艺比较固定，环境条件较好，维修量较小的场合，选用整体式结构的PLC。

（2）功能强弱适当

对于开关量控制的工程项目，若控制速度要求不高，一般选用低档的PLC。

3.3.2、PLC容量的选择

PLC容量主要是指是PLC的I/O点数，I/O点数也应留有适当裕量。

由于目前I/O点数较多的PLC价格也较高，若备用的1/O点是数量太多，将使成本增加。

根据被控对象的输入信号和输出信号的总点数，并考虑到今后的调整和扩充，通常1/0点数按实际需要的考虑留10%-15%点数备用量。

四、软件设计

4.1、PLC相关设定

4.1.1、PLC的元件分配

程序中使用的PLC元件及其功能如表3.1所示。

器件地址

功能

器件地址

功能

VD200

过程变量标准化值

M0.1

为1自动，为0时手动

VD204

液位给定值

M0.2

电机正转

VD208

PID计算值

AIW0

模拟值输入

VD212

比例系数Kc

AQW0

模拟值输出

VD216

采样时间Ts

AC0

累加器

VD220

积分时间Ti

VD224

微分时间Td

表4.1.1PLC原件分配

4.1.2、PLC程序顺序功能图

表4.1.2PLC程序顺序功能图

4.1.3、PLC程序

主程序（MAIN）：

子程序（初始化）：

中断程序（PID算法）：

4.1.4、PID控制器参数整定

在设计中，选用了含PID调节的PLC来实现闭环控制整定。

在连续控制系统中，常采用Proportional（比例）、Integral（积分）、Derivative（微分）控制方式，称之为PID控制。

PID控制是连续控制系统中技术最成熟、应用最广泛的控制方式。

具有理论成熟，算法简单，控制效果好，易于为人们熟悉和掌握等优点。

经比例（P）、积分（I）和微分（D）运算后通过线性组合构成控制量u（t），对被控对象进行控制，故称PID控制器。

PID控制器各环节的作用及调节规律如下：

（1）比例环节：

成比例地反映控制系统偏差信号的作用，偏差e（t）一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差，但不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数Kp的增大而减少，比例系数过大将导致系统不稳定。

（2）积分环节：

表明控制器的输出与偏差持续的时间有关。

只要偏差存在，控制就要发生改变，直到系统偏差为零。

积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。

积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，易引起系统超调量加大，反之则越强，易引起系统振荡。

（3）微分环节：

对偏差信号的变化趋势做出反应，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

微分环节主要用来控制被调量的振荡，减小超调量，加快系统响应时间，改善系统的动态特性。

五、组态监控软件的设计

5.1、建立新工程

启动组态王的项目管理器，单击新建按钮，根据新建工程向导，新建名为“课程设计”的工程，点击完成新建工程。

图5.1建立工程

5.2、建立通讯口

本设计中用S7-200的PPI编程电缆实现计算机与CPU模块的通信。

由于使用串行通信接口1，故双击工程浏览器的设备文件夹中的“1”图标，在出现的对话框中设置波特率为9600bit/s，如图5.2.1所示。

图5.2.1设置参数

选中“1”后，双击右侧工作区出现的“新建…”图标，在出现的对话框的“PLC”文件夹中选择西门子的S7-200系列，通信协议为PPI，设置好单击“下一步”直至“完成”，这样在右侧会出现刚生成的“S7200”图标，通信设置结束。

图5.2.2设置通讯口

5.3、新建变量

点击工程浏览器中的“数据词典”图标，右面工作区会出现系统定义好的内存变量。

双击最下面的“新建…”图标，弹出“定义变量”对话框，开始定义输入输出变量。

用此方法组态所有变量

图5.3新建变量

5.4、新建监控画面

（1）建立主界面

单击工程浏览器左侧的“画面”图标，双击工作区“新建…”图标，弹出“新画面”对话框，输入名称点击确定进入组态王的开发系统。

图5.4.1新画面

（2）制作监控画面

利用工具箱中各画图工具绘制监控系统界面，然后进行动画连接。

图5.4.2监控画面

（3）建立报警界面

图5.4.3报警窗口

（4）建立历史曲线界面

图5.4.4历史曲线窗口

（5）建立动画、函数连接

设定按钮或文字的对象，按钮既可以用来执行某些命令，还可以输入数据给某些变量，当和外部的一些智能仪表、PLC等进行连接时，会大大增加其数据传输的简洁性；指示灯组态后用于显示系统的工作状态。

六、运行调试步骤与结果

6.1、调试步骤

1.加载PLC程序。

2.关闭PLC软件，关闭变频器开关，进入组态王组态运行模式。

3.打开变频器开关，在监控画面上点击“进入系统”，进入监控画面，设定液位给定值，开始运行按钮和自动按钮。

4.根据液位上升速度和液位实时曲线反复调节P、I、D参数，使液位达到设定液位同时曲线上升平稳。

5.打开手动按钮，按动进水按钮看是否进水。

6.2、运行结果

通过反复调试和修改，使得该系统正常平稳运行。

同时得到以下监控画面：

1.实时监控曲线

图6.2.1实时曲线

2.历史趋势监控曲线

图6.2.2液位历史曲线

3.报警监控窗口

图6.2.3报警监控

七、收获与小结

虽然做过相类似的题目，但真正做到自己设计时就感觉到很大的压力，特别是PLC的PID控制程序，这基本上是这次双容液位控制的核心。

因此，这就需要更加懂得PID调节的原理和步骤。

在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题。

有时发现一个问题的时候，需要做大量的工作，花大量的时间才能解决。

自然而然，我的耐心便在其中建立起来了。

为以后的工作积累了经验，增强了信心。

通过这次设计实践。

我学会了PLC的基本编程方法，对PLC的工作原理和使用方法也有了更深刻的理解。

在对理论的运用中，提高了我的工程素质，在没有做实践设计以前，对知道的撑握都是思想上的，对一些细节不加重视，当我把自己想出来的程序与到PLC中的时候，问题出现了，不是不能运行，就是运行的结果和要求的结果不相符合。

能过解决一个个在调试中出现的问题，对PLC的理解得到加强，看到了实践与理论的差距通过合作，我们的合作意识得到加强。

合作能力得到提高。

上大学后，很多同学都没有过深入的交流，在设计的过程中，我们共同讨论，在交流中发现问题，再向别的同学或老师请教。

在此过程中，也提高了我们的表过能力。

总之，通过本次设计，让我很好的锻炼了理论联系实际，与具体项目、课题相结合开发、设计产品的能力。

既让我们懂得了怎样把理论应用于实际，又让我们懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决。

八、参考文献

1、廖常初.PLC编程及应用[M].:

机械工业,2008,14-16

2、王永华.现代电气控制及PLC应用技术.航空航天大学，2010-11

3、覃贵礼.组态软件控制技术.理工大学，2009-1