1、 过程控制综合训练课程报告16 17 学年 第 二 学期课题名称 基于 PLC 和组态王的 系统 姓 名 学 号 班 级 成 绩 水箱液位控制系统摘要 在工业生产过程中，液位贮槽如进料罐、成品罐、中间缓冲器、水箱等设备应用十分普遍，为了保证生产正常进行，物料进出需均衡，以保证过程的物料平衡。因此，工艺要求贮槽内的液位需维持在给定值上下，或在某一小范围内变化，并保证物料不产生溢出。例如，锅炉系统汽包的液位控制，自流水生产系统过滤池、澄清池水位的控制等等。根据课题要求，设计一个单容水箱的液位过程控制系统，该系统能对一个单容水箱液位的进行恒高度控制。关键词：过程控制 液位控制 PID 控制 Abst
2、ract: In the process of industrial production, liquid storage tank such as product cans, buffer, tanks and other equipments are widely used. In order to ensure the normal production,material supply and demand must be balanced toguarantee the process of the production. So, the process requires that t
3、he liquid level in the tank should be maintained at a given value, or change in a small range,and ensure that the material does not overflow,for instance,system of boiler drum level control, level control of filter pool and clarification pool of self-flowing water production system and so on. Accord
4、ing to the requirement of project, we need design a liquid level process control system for a single tankwhich make the liquid level on the constant height.Key words: Process Control Liquid Level Control PID Control一、系统建模如图所示，单容液位过程只有一个储液箱。流入量为 Q1，由进水阀的开度 控制 Q1 的大小；流出量为 Q2，随下游工序的需要而变化，其大小由出水阀的开度控制；在
5、出水阀开度不变的情况下，液位 h 越高，储液箱静压越大，流出量 Q2 越大。下面分析进水阀的开度 与液位 h 之间的动态关系，建立该单容水箱的数学模型。图 1-1 单容水箱模型根据动态物质平衡关系可得：其中设稳态时变量为： 各变量相对稳态的增量为：1212()dvQdhQt tAVAh=Kk210200,QhdAht不 变01110222,hQQ由 的增量形式可得：得到：令 则有取拉氏变换得：由上述可知，单容水箱系统为一阶惯性系统，其中时间常数 T 是表征液位过程响应快慢的重要参数。2、系统设计2.1 系统总体设计恒液位水箱控制系统是一个闭环负反馈控制系统，将给定输入和实际输出相比较，得到的误
6、差经 PID 控制器计算后送给 D/A，经过 D/A 转换后得到010V 的电压来控制变频器的频率，以此来控制电动调节阀的开度达到控制液位的目的。液位经过传感器转换成 420mA 的电流信号在经过 A/D 转换反馈至输入端，这样就形成了一个闭环控制系统，当液位过高时，控制输出减小，当 12()dhQtA12 122dhQAtKRs消 Q,中 间 变 量1s sdhhAstdAKRt SSRKAT,hdt )()()( sKsHsT1)(T液位过低时，控制输出增大，以此来达到恒液位控制。图 2-1液位控制系统总体框图2.2 D/A 模块设计2.2.1 端子接线本模块采用电压输出方式，故接线图如图
7、 2-2 所示。图 2-2 D/A模块端子接线图 图 2-3 输入输出特性其输入输出特性如图 2-3 所示，当输入数字范围为 04000 时，输出模拟电压为 010V，且成线性关系。2.2.2 编程设计P I D D / A变频器 电动阀0 1 0 V0 5 0 H z输出液位A / D传感器4 2 0 m A_给定输入图 2-4 D/A转换程序如图 2-4 所示，首先将 D10 寄存器中的数值传到辅助继电器（M100M115）中，然后写低 8 位数据并保持，接着写高 4 位数据并保持，最后执行 D/A 转换，输出 010V 电压。2.3 变频器设置2.3.1 接线因为本次设计只用到了正转功能
8、，所以只连接了 STF 端和 COM 端，电压输入并联在 2 和 5 端口来控制频率输出。接线图如图 2-5 所示。图 2-5 变频器接线图2.3.2 变频器参数设置参数 79 可以用来设置变频器运行模式，其中 79-1 为固定 PU 运行模式，即所有指令通过控制面板输入；79-2 为固定外部运行模式，即所有指令通过外部输入；79-3 为组合运行模式 1，启动指令通过外部控制，而频率通过面板上的旋钮来控制；79-4 为组合运行模式 2，其启动指令通过控制面板上的 RUN 来发出，而频率则通过外部模拟量来控制，如图 2-6 所示。本次设计采用 79-2 固定外部运行模式。图 2-6 变频器运行模
9、式2.4 A/D 模块设计2.4.1 端子接线液位变送器输出的是 420mA 电流信号，所以接线采用电流输入方式，将V+和 l+短接，如图 2-7 所示。图 2-7 A/D模块端子接线图2.4.2 编程设计 图 2-8 A/D转换程序 如图 2-8 所示 ，首先设置 A/D 转换的工作方式，因为连线接的是通道 3，所以将通道 3 设置成模拟量输入范围为 4mA20mA,数字量输出范围为 04000的模式 3，其他通道禁用，设置成 F；然后进行 A/D 转换，将通道 3 BFM12 的值读出到 D0 中。2.5 PID 控制器与组态王设计2.5.1 定义变量图 2-9 变量定义如图 2-9 所示
10、，其中 Y0 为 PLC 输出，连接到变频器的 STR 来控制电机转动；输入为设定的液位；实际液位是由传感器的输出转换得到的；sp、pv、M 为 PID控制器的参数；D0 为 A/D 转换的值；D10 为 D/A 转换的值。2.5.2 总体设计图 2-10 控制界面图 2-11 命令语言如图 2-11 所示，因为传感器经 A/D 转换的数字量和实际液位之间成一次函数关系，所以可以测量几组数据来求得它们的关系以此获得实际液位值。SP 为 PID 控制器的设定值，PV 为反馈跟踪值，M 为输出。将液位高度除以满量程 40，这样便使得 PID 控制器的输出 M 在 0%100%内变化，这样便能很好的
11、表征电动调节阀的开度；又由于要使变频器在 050Hz 内变化，且变频器50Hz 时 D/A 的输入值为 2000，因为 M 的值已经在 01 之间变化，所以只要将M 的值直接乘以 2000 写入 D/A 即可。至此便通过组态王完成了对整个系统的连接，实现了对整个系统的控制。3、PID 参数整定组态王中的 PID 控件可以实现对系统的控制，而为了获得较好的控制效果，则需要整定 PID 参数，下面简单介绍一下 PID 控制及其整定方法。3.1 PID 控制在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称 PID 控制，又称 PID 调节。PID 控制器问世至今已有近 70 年
12、历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用 PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。P 是比例环节，引入比例环节可以提高稳态精度，加快系统的反应速度。但是 Kp 过大，超调增大稳定裕度降低，甚至可能不稳定；I 是积分环节，引入积分环节可以消除静差，改善系统稳态性能。但是积分环节降低系统稳定裕度，有滞后，反应不灵敏，Ki 过大，是系统超调增大，甚至有可能不稳定；D 微分环节，引入微分环节可以提高系统的响应速度，超调减小，振荡减轻。但是微分环节会放大高频噪声，抗干扰能力差。PID 控制综合了他们的优点，平和了缺点，可以获得很好的控制效果。3.2 PID 参数整定方法3.2.1 稳定边界法 在生产工艺容许的情况下，先让调节器按比例调节工作。从大到小逐渐改变调节器的比例度，直至系统产生等幅振荡；记录此时的比例度和周期，再通过经验公式计算，求出调节器的整定参数。稳定边界法适用于一般的流量、压力、液位和温度控制系统，但不适用于比例度特别小的过程。3.2.2 响应曲线法
