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水箱液位控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

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1、昌吉學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 水箱液位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系 別 物理系 專(zhuān) 業(yè) 能源工程及自動(dòng)化 班 級(jí) 物理系B1105班 學(xué) 生 陳希嘉 學(xué) 號(hào) 1125862019 指 導(dǎo) 教 師 李斌 目 錄摘 要31 緒 論41.1過(guò)程控制的發(fā)展41.2液位控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的意義41.3液位串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹51.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀51.4.1 PLC的定義51.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀52 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)72.1液位控制系統(tǒng)組成72.2 流量液位串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理82.3 PID控制算法102.3.1 PLC中的PID算法102.3.2PID控制的各種常見(jiàn)的控制規(guī)律如下:112.4

2、串級(jí)控制系統(tǒng)的PID整定方法142.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律143 PLC系統(tǒng)的硬件配置163.1 S7-200的工作原理163.2PLC硬件配置173.2.1CPU的選擇173.2.2檢測(cè)裝置173.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)183.2.4執(zhí)行單元194 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS214.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程224.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析234.2.1 整定過(guò)程分析234.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果23總結(jié)25摘 要隨著生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,現(xiàn)代控制系統(tǒng)的規(guī)模日趨大型化、復(fù)雜化,控制對(duì)象變得越來(lái)越復(fù)雜,應(yīng)用常規(guī)PID控制,系統(tǒng)的精度和魯棒性較差。為適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制要求,人們研制了種類(lèi)繁多的先進(jìn)的智能控制器,PID控制器便是其中之一

3、。這篇論文的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)水箱液位串級(jí)控制系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱液位的串級(jí)控制,采用了計(jì)算機(jī)技術(shù),通訊技術(shù),自動(dòng)化儀表技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)。首先我們要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行分析,根據(jù)被控對(duì)象和被控過(guò)程特性設(shè)計(jì)一個(gè)串級(jí)控制系統(tǒng)。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì),加深對(duì)所學(xué)傳感器技術(shù)、轉(zhuǎn)換技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理以及過(guò)程控制的基本原理、基本知識(shí)的理解和應(yīng)用,掌握串級(jí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟和方法,掌握工程整定參數(shù)方法,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí),增強(qiáng)動(dòng)手能力,為今后工作打下一定的理論和實(shí)踐基礎(chǔ)1 緒 論 1.1過(guò)程控制的發(fā)展自本世紀(jì)30年代以來(lái),伴隨著自動(dòng)控制理論的日趨成熟,自動(dòng)化技術(shù)不斷地發(fā)展并獲得了驚人的成就,在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)發(fā)展中起著關(guān)鍵

4、性的作用。過(guò)程控制技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分,普遍運(yùn)用于石油,化工,電力,冶金,輕工,紡織,建材等工業(yè)部門(mén)。初期的過(guò)程控制系統(tǒng)采用基地式儀表和部分單元組合儀表,過(guò)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大多是單輸入,單輸出系統(tǒng),過(guò)程控制理論是以頻率法和根軌跡法為主體的經(jīng)典控制理論,以保持被控參數(shù)液位,溫度,壓力,流量的穩(wěn)定和消除主要擾動(dòng)為控制目的過(guò)程。其后,串級(jí)控制,比值控制和前饋控制等復(fù)雜過(guò)程控制系統(tǒng)逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,氣動(dòng)和電動(dòng)單元組合儀表也開(kāi)始大量采用,同時(shí)電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用于過(guò)程控制領(lǐng)域,實(shí)現(xiàn)了直接數(shù)字控制(DDC)和設(shè)定值控制(SPC)。隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)在各領(lǐng)域已百花齊放,過(guò)

5、程控制是自動(dòng)化技術(shù)的重要組成部分。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化中,過(guò)程控制技術(shù)正在為實(shí)現(xiàn)各種最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、提高經(jīng)濟(jì)效益和勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約能源、改善勞動(dòng)條件、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生等方面起著越來(lái)越大的作用。1.2液位控制系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中的意義為了解決人工控制的控制準(zhǔn)度低、控制速度慢、靈敏度低等一系列問(wèn)題。從而我們現(xiàn)在就引入了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化控制。在自動(dòng)化控制的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,尤其是在石油化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè),液位是過(guò)程控制系統(tǒng)的重要被控量,在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中,常常需要對(duì)某些設(shè)備和容器的液位進(jìn)行測(cè)量和控制。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制,了解容器中的原料半成品或成品的數(shù)量,以便調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡,保證生

6、產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。通過(guò)控制計(jì)算機(jī)可以不斷監(jiān)控生產(chǎn)的運(yùn)行過(guò)程,即時(shí)地監(jiān)視或控制容器液位,保證產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。如果控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)欠妥,系統(tǒng)的液位是否穩(wěn)定,會(huì)造成生產(chǎn)中對(duì)液位控制的不合理,導(dǎo)致原料的浪費(fèi)產(chǎn)品的不合格,影響工業(yè)生產(chǎn)的安全與否、生產(chǎn)效率的高低、能源是否能夠得到合理的利用等一系列重要的問(wèn)題。隨著現(xiàn)在工業(yè)控制的要求越來(lái)越高,甚至造成生產(chǎn)事故,所以設(shè)計(jì)一個(gè)良好的液位控制系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)中有著重要的實(shí)際意義。 水箱液位控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一個(gè)研究和開(kāi)發(fā)先進(jìn)的控制方法、策略的平臺(tái),它具有體積小、功耗小、靈活安全等諸多優(yōu)點(diǎn),它不僅能夠完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),還可以通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。它是

7、專(zhuān)門(mén)針對(duì)于過(guò)程控制中液位控制研究的實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng),它包含有溫度、壓力、液位等多種被控變量,通過(guò) PLC 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)控制器,可實(shí)現(xiàn)多種控制方式。同時(shí)也可以對(duì)液位控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證與研究。水箱液位控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)為解決實(shí)際工程應(yīng)用提供了良好的研發(fā)平臺(tái)。1.3液位串級(jí)控制系統(tǒng)的介紹在單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式,它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào),從系統(tǒng)方框圖看,只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下,這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求,因此,它是一種最基本的、使用最廣泛的控制系統(tǒng)。但是也有另外一些情況,譬如調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性決定了它很難控制,而工藝對(duì)調(diào)節(jié)質(zhì)量

8、的要求又很高;或者調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性雖然并不復(fù)雜,但控制的任務(wù)卻比較特殊,則單回路控制系統(tǒng)就無(wú)能為力了,而串級(jí)控制系統(tǒng)可以改善和提高控制品質(zhì)。單回路控制系統(tǒng)是過(guò)程控制中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種形式,它只用一個(gè)調(diào)節(jié)器,調(diào)節(jié)器也只有一個(gè)輸入信號(hào),從系統(tǒng)方框圖看,只有一個(gè)閉環(huán)。在大多數(shù)情況下,這種簡(jiǎn)單系統(tǒng)已經(jīng)能夠滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)的要求。但在復(fù)雜的控制系統(tǒng)中,則需在單回路的基礎(chǔ)上,采取其它措施,組成復(fù)雜控制系統(tǒng),而串級(jí)控制系統(tǒng)就是其中一種改善和提高控制品質(zhì)的極為有效的控制系統(tǒng)。液位和流量是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最常用的兩個(gè)參數(shù),對(duì)液位和流量進(jìn)行控制的裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的十分普遍。液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大,因此有很大的容

9、積遲延,如果用單回路控制系統(tǒng)來(lái)控制,可能無(wú)法達(dá)到較好的控制質(zhì)量。而串級(jí)控制系統(tǒng)則可以起到十分明顯的提高控制質(zhì)量的效果,因此往往采用串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)液位進(jìn)行控制。1.4 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀1.4.1 PLC的定義國(guó)際工委員會(huì)(IEC)曾于1982年11月頒布了可編程控制器標(biāo)準(zhǔn)草案第一稿,1985年1月又發(fā)表了第二稿,1987年2月頒布了第三稿。該草案中對(duì)可編程控制器的定義是“可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng),專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程的存儲(chǔ)器,用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)計(jì)算等面向用戶(hù)的指令,并通過(guò)數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出,控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生

10、產(chǎn)過(guò)程??删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)外圍設(shè)備,都按易于與工業(yè)系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。1.4.2 PLC的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)70年代中末期,可編程控制器進(jìn)入實(shí)用化發(fā)展階段,計(jì)算機(jī)技術(shù)已全面引入可編程控制器中,使其功能發(fā)生了飛躍。更高的運(yùn)算速度、超小型體積、更可靠的工業(yè)抗干擾設(shè)計(jì)、模擬量運(yùn)算、PID功能及極高的性?xún)r(jià)比奠定了它在現(xiàn)代工業(yè)中的地位。20世紀(jì)80年代初,可編程控制器在先進(jìn)工業(yè)國(guó)家中已獲得廣泛應(yīng)用。這個(gè)時(shí)期可編程控制器發(fā)展的特點(diǎn)是大規(guī)模、高速度、高性能、產(chǎn)品系列化。這個(gè)階段的另一個(gè)特點(diǎn)是世界上生產(chǎn)可編程控制器的國(guó)家日益增多,產(chǎn)量日益上升。這標(biāo)志著可編程控制器已步入成熟階段。 上世

11、紀(jì)80年代至90年代中期,是PLC發(fā)展最快的時(shí)期,年增長(zhǎng)率一直保持為3040%。在這時(shí)期,PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高,PLC逐漸進(jìn)入過(guò)程控制領(lǐng)域,在某些應(yīng)用上取代了在過(guò)程控制領(lǐng)域處于統(tǒng)治地位的DCS系統(tǒng)。 20世紀(jì)末期,可編程控制器的發(fā)展特點(diǎn)是更加適應(yīng)于現(xiàn)代工業(yè)的需要。從控制規(guī)模上來(lái)說(shuō),這個(gè)時(shí)期發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī);從控制能力上來(lái)說(shuō),誕生了各種各樣的特殊功能單元,用于壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、位移等各式各樣的控制場(chǎng)合;從產(chǎn)品的配套能力來(lái)說(shuō),生產(chǎn)了各種人機(jī)界面單元、通信單元,使應(yīng)用可編程控制器的工業(yè)控制設(shè)備的配套更加容易。目前,可編程控制器在機(jī)械制造、石

12、油化工、冶金鋼鐵、汽車(chē)、輕工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 我國(guó)可編程控制器的引進(jìn)、應(yīng)用、研制、生產(chǎn)是伴隨著改革開(kāi)放開(kāi)始的。最初是在引進(jìn)設(shè)備中大量使用了可編程控制器。接下來(lái)在各種企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)品中不斷擴(kuò)大了PLC的應(yīng)用。目前,我國(guó)自己已可以生產(chǎn)中小型可編程控制器。上海東屋電氣有限公司生產(chǎn)的CF系列、杭州機(jī)床電器廠生產(chǎn)的DKK及D系列、大連組合機(jī)床研究所生產(chǎn)的S系列、蘇州電子計(jì)算機(jī)廠生產(chǎn)的YZ系列等多種產(chǎn)品已具備了一定的規(guī)模并在工業(yè)產(chǎn)品中獲得了應(yīng)用。此外,無(wú)錫華光公司、上海鄉(xiāng)島公司等中外合資企業(yè)也是我國(guó)比較著名的PLC生產(chǎn)廠家。可以預(yù)期,隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程的深入,PLC在我國(guó)將有更廣闊的

13、應(yīng)用天地。2 水箱液位控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)液位控制系統(tǒng)實(shí)際是通過(guò)控制流量對(duì)液位進(jìn)行控制的,液位的時(shí)間常數(shù)T一般很大,因此有很大的容積遲延,如果用液位做為反饋信號(hào)進(jìn)行單一回路控制,控制質(zhì)量難以達(dá)到要求。而串級(jí)控制系統(tǒng)可以將流量納入副回路進(jìn)行控制,不僅有效地克服了流量對(duì)液位造成的干擾,能夠?qū)σ何粚?shí)行較快的控制。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將在SUPCON高級(jí)過(guò)程控制實(shí)驗(yàn)裝置的基礎(chǔ)上,通過(guò)PLC及各傳感、執(zhí)行單元、上位機(jī),以流量液位串級(jí)控制策略和的PID控制算法,努力使系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)性能,改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。當(dāng)然,還有一些其它的克服大容積遲延的控制方案,例如前饋控制、大遲延滯后補(bǔ)償控制。但它們較難用一般常規(guī)儀

14、表來(lái)實(shí)現(xiàn),在經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)便性上不如串級(jí)控制。2.1液位控制系統(tǒng)組成液位控制系統(tǒng)的構(gòu)成如下圖2.1中所示,開(kāi)度調(diào)節(jié)閥流量調(diào)節(jié)器流量測(cè)量變送器液位對(duì)象U儲(chǔ)水箱液位調(diào)節(jié)器液位測(cè)量變送器水泵上位機(jī)PLC圖2.1液位控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)該水箱流量和液位串級(jí)控制系統(tǒng)主要由水箱、管道、水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液位傳感器、渦輪流量計(jì)、可編程控制器及其輸入(檢測(cè))輸出(控制)通道電路構(gòu)成。系統(tǒng)包括3路信號(hào),測(cè)量信號(hào)有2個(gè)分別是上水箱液位和管道流量,變送過(guò)來(lái)以后是標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)控制信號(hào),有1個(gè)用來(lái)控制電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度。PLC的模擬量輸入模塊SM235相連,SM235和CPU直接相連。系統(tǒng)接通電源后,水泵開(kāi)始工作,將儲(chǔ)水箱里的

15、水泵送至管道,水流經(jīng)管道后進(jìn)入水箱。管道里連接流量變送器檢測(cè)管道水的流量,水箱底部連接液位傳感器檢測(cè)液位,并轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后傳送給的模擬量輸入接口。通過(guò)上位機(jī)組態(tài)界面設(shè)置液位給定值,PLC采用PID算法得出電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制流量,實(shí)現(xiàn)流量的控制,最終能夠控制水箱內(nèi)水的液位。2.2 流量液位串級(jí)控制系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)有主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器兩個(gè)控制回路串接工作,液位控制是外回路(主調(diào)節(jié)器)負(fù)責(zé)液位的定值控制,流量控制是隨動(dòng)控制的內(nèi)回路(副調(diào)節(jié)器)。,串級(jí)控制系統(tǒng)的目的是為了更好地穩(wěn)定主變量,使之等于給定值,圖2.2是串級(jí)控制系統(tǒng)的方框圖。副調(diào)節(jié)器電動(dòng)閥流量水箱液位流量變送器液位變送器

16、h(液位)一次干擾二次干擾給定值+-+-Q1主調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器圖2.2串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖主變量就是主回路的輸出,所以說(shuō)主回路是定值控制系統(tǒng)。副回路的輸出是副變量,副回路的給定值是主控制器的輸出,所以在串級(jí)控制系統(tǒng)中,副變量不是要求不變的,而是要求隨主控制器的輸出變化而變化,因此是一個(gè)隨動(dòng)控制系統(tǒng)。主控制器的輸出作為副控制器的給定值,副控制器的輸出去操縱控制閥,以實(shí)現(xiàn)對(duì)變量的定值控制其中主調(diào)節(jié)器有自己獨(dú)立的給定值R,它的輸出m1作為副調(diào)節(jié)器的給定值,副調(diào)節(jié)器的輸出m2控制執(zhí)行器,以改變主參數(shù)C1。在串級(jí)控制系統(tǒng)中,主、副調(diào)節(jié)器所起的作用是不同的。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用,它的控制任務(wù)是使主參數(shù)等于給定

17、值(無(wú)余差),故一般宜采用PI或PID調(diào)節(jié)器。由于副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),它的輸出要求能快速、準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)的變化規(guī)律,對(duì)副參數(shù)的動(dòng)態(tài)性能和余差無(wú)特殊的要求,因而副調(diào)節(jié)器可采用P或PI調(diào)節(jié)器。本系統(tǒng)的主控量為上水箱的液位高度H,副控量為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路流量Q,它是一個(gè)輔助的控制變量。系統(tǒng)由主、副兩個(gè)回路所組成。主回路是一個(gè)定值控制系統(tǒng),要求系統(tǒng)的主控制量H等于給定值,因而系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器應(yīng)為PI或PID控制。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng),要求副回路的輸出能正確、快速地復(fù)現(xiàn)主調(diào)節(jié)器輸出的變化規(guī)律,以達(dá)到對(duì)主控制量H的控制目的,因而副調(diào)節(jié)器可采用P控制。但選擇流量作副控參數(shù)時(shí),為了保持系統(tǒng)穩(wěn)定,比例

18、度必須選得較大,這樣比例控制作用偏弱,為此需引入積分作用,即采用PI控制規(guī)律。引入積分作用的目的不是消除靜差,而是增強(qiáng)控制作用。顯然,由于副對(duì)象管道的時(shí)間常數(shù)小于主對(duì)象上水箱的時(shí)間常數(shù),因而當(dāng)主擾動(dòng)(二次擾動(dòng))作用于副回路時(shí),通過(guò)副回路快速的調(diào)節(jié)作用消除了擾動(dòng)的影響。1克服被控過(guò)程較大的容量滯后在過(guò)程控制系統(tǒng)中,被控過(guò)程的容量滯后較大,特別是一些被控量是溫度等參數(shù)時(shí),控制要求較高,如果采用單回路控制系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。利用串級(jí)控制系統(tǒng)存在二次回路而改善過(guò)程動(dòng)態(tài)特性,提高系統(tǒng)工作頻率,合理構(gòu)造二次回路,減小容量滯后對(duì)過(guò)程的影響,加快響應(yīng)速度。在構(gòu)造二次回路時(shí),應(yīng)該選擇一個(gè)滯后較小的副

19、回路,保證快速動(dòng)作的副回路。2克服被控過(guò)程的純滯后被控過(guò)程中存在純滯后會(huì)嚴(yán)重影響控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性,使控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求。使用串級(jí)控制系統(tǒng),在距離調(diào)節(jié)閥較近、純滯后較小的位置構(gòu)成副回路,把主要擾動(dòng)包含在副回路中,提高副回路對(duì)系統(tǒng)的控制能力,可以減小純滯后對(duì)主被控量的影響。改善控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量。3抑制變化劇烈幅度較大的擾動(dòng)串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路對(duì)于回路內(nèi)的擾動(dòng)具有很強(qiáng)的抑制能力。只要在設(shè)計(jì)時(shí)把變化劇烈幅度大的擾動(dòng)包含在副回路中,即可以大大削弱其對(duì)主被控量的影響。4.克服被控過(guò)程的非線(xiàn)性在過(guò)程控制中,一般的被控過(guò)程都存在著一定的非線(xiàn)性。這會(huì)導(dǎo)致當(dāng)負(fù)載變化時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的特性發(fā)生變化,影響控

20、制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。單回路系統(tǒng)往往不能滿(mǎn)足生產(chǎn)工藝的要求,由于串級(jí)控制系統(tǒng)的副回路是隨動(dòng)控制系統(tǒng),具有一定的自適應(yīng)性,在一定程度上可以補(bǔ)償非線(xiàn)性對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。2.3 PID控制算法2.3.1 PLC中的PID算法常規(guī)的PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。PID算法的輸入量e是設(shè)定值r和檢測(cè)值y的偏差量,即 ,經(jīng)過(guò)運(yùn)算,并輸出控制信號(hào)u。PID控制算法的理想形式為 式中 控制器比例增益;積分時(shí)間; 微分時(shí)間。PLC對(duì)PID控制算法計(jì)算需要得到它的離散表達(dá)式。由連續(xù)的PID算法換算成離散的表達(dá)式如下: 其中, 為采樣周期。S7-200 PLC中用的是PID控制的

21、增量算法落實(shí)是增量還是未知為相鄰兩次采樣時(shí)刻所計(jì)算的位置值之差,即 S7-200 PLC的PID指令中,PID控制算法是基于理想PID控制算法的改進(jìn)得到的。其微分項(xiàng)采用微分先行改進(jìn),積分項(xiàng)采用抗積分飽和法改進(jìn)。微分先行,是指只對(duì)被控量微分,而對(duì)偏差無(wú)微分作用,這樣避免了當(dāng)改變?cè)O(shè)定值時(shí)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊??癸柡头e分,是指對(duì)計(jì)算出的控制量限幅。在S7-200 PLC中,積分項(xiàng)的積分公式為式中第n次采樣的積分項(xiàng)數(shù)值;第n次采樣的設(shè)定值數(shù)值;第n次采樣的檢測(cè)值數(shù)值第n-1次采樣的積分項(xiàng)數(shù)值。對(duì)控制量的限幅為式中第n次采樣的比例計(jì)算輸出數(shù)值;第n次采樣的積分計(jì)算輸出數(shù)值;第n次采樣的PID控制量計(jì)算輸出數(shù)值

22、。通過(guò)按照上述方式調(diào)節(jié),一旦計(jì)算輸出返回適當(dāng)范圍即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)答能力的改善。控制量也被固定在0.01.0。2.3.2PID控制的各種常見(jiàn)的控制規(guī)律如下:一、比例調(diào)節(jié)(P調(diào)節(jié))在P調(diào)節(jié)中,調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)與偏差信號(hào)成比例,即 (3.1) 式中Kc稱(chēng)為比例增益(視情況可設(shè)置為正或負(fù)), 為調(diào)節(jié)器的輸出,是對(duì)調(diào)節(jié)器起始值的增量,的大小可以通過(guò)調(diào)整調(diào)節(jié)器的工作點(diǎn)加以改變。在過(guò)程控制中習(xí)慣用比例增益的倒數(shù)表示調(diào)節(jié)器輸入與輸出之間的比例關(guān)系: (3.2)其中稱(chēng)為比例帶。比例調(diào)節(jié)的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)。比例調(diào)節(jié)的余差隨著比例帶的加大而加大。從這一方面考慮,人們希望盡量減小比例帶。然而,減小比例帶就等于加大調(diào)

23、節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益,其后果是導(dǎo)致系統(tǒng)激烈振蕩甚至不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是任何閉環(huán)控制系統(tǒng)的首要要求,比例帶的設(shè)置必須保證系統(tǒng)具有一定的穩(wěn)定裕度。此時(shí),如果余差過(guò)大,則需通過(guò)其它的途徑解決。很大意味著調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度很小,因此被調(diào)量的變化比較平穩(wěn),甚至可以沒(méi)有超調(diào),但余差很大,調(diào)節(jié)時(shí)間也很長(zhǎng)。減小就加大了調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作幅度,引起被調(diào)量來(lái)回波動(dòng),但系統(tǒng)仍可能是穩(wěn)定的,余差相應(yīng)減小。具有一個(gè)臨界值,此時(shí)系統(tǒng)處于穩(wěn)定邊界的情況,進(jìn)一步減小系統(tǒng)就不穩(wěn)定了。二、積分調(diào)節(jié)(I調(diào)節(jié))的特點(diǎn)在I調(diào)節(jié)中,調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)的變化速度(t)/t與偏差信號(hào)e成正比,即 (或 (3.4)式中KI稱(chēng)為積分速度,可視情況取正值或負(fù)值。上

24、式表明,調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號(hào)的積分成正比。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是無(wú)差調(diào)節(jié),與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對(duì)比。式(3.3)表明,只有當(dāng)被調(diào)量偏差e為零時(shí),I調(diào)節(jié)器的輸出才會(huì)保持不變。然而與此同時(shí),調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停在任何數(shù)值。這意味著被控對(duì)象在負(fù)荷擾動(dòng)的調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后,被調(diào)量沒(méi)有余差,而調(diào)節(jié)閥則可以停在新的負(fù)荷所要求的開(kāi)度上。I調(diào)節(jié)的另一特點(diǎn)是它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。例如,根據(jù)奈氏穩(wěn)定判據(jù)可知,對(duì)于非自衡的被控對(duì)象采用P調(diào)節(jié)時(shí),只要加大比例帶總可以使系統(tǒng)穩(wěn)定(除非被控對(duì)象含有一個(gè)以上的積分環(huán)節(jié));如果采用I調(diào)節(jié)則不可能得到穩(wěn)定的系統(tǒng)。對(duì)于同一個(gè)被控對(duì)象,采用I調(diào)節(jié)時(shí)其調(diào)節(jié)過(guò)程的進(jìn)行總比采用P調(diào)節(jié)時(shí)緩慢

25、,表現(xiàn)在振蕩頻率較低。把它們各自在穩(wěn)定邊界上的振蕩頻率加以比較就可以知道,在穩(wěn)定邊界上若采用P調(diào)節(jié)則被控對(duì)象須提供180相角滯后。若采用I調(diào)節(jié)則被控對(duì)象只須提供90相角滯后。這就說(shuō)明用I調(diào)節(jié)取代P調(diào)節(jié)就會(huì)降低系統(tǒng)的振蕩頻率。采用I調(diào)節(jié)時(shí),控制系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益與積分速度KI成正比。因此,增大積分速度將會(huì)降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度,直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。因?yàn)镵I愈大,則調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作愈快,就愈容易引起和加劇振蕩。但與此同時(shí),振蕩頻率將愈來(lái)愈高,而最大動(dòng)態(tài)偏差則愈來(lái)愈小。被調(diào)量最后都沒(méi)有余差,這是I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。三、比例積分調(diào)節(jié)(PI調(diào)節(jié))PI調(diào)節(jié)就是綜合P、I兩種調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn),利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影

26、響,同時(shí)利用I調(diào)節(jié)消除余差。它的調(diào)節(jié)規(guī)律為: (3.5)或 (3.6)式中為比例帶,可為積分時(shí)間。和是PI調(diào)節(jié)器的兩個(gè)重要參數(shù)。圖3.1是PI調(diào)節(jié)器的階躍響應(yīng),它是由比例動(dòng)作和積分動(dòng)作兩部分組成的。在施加階躍輸入的瞬間,調(diào)節(jié)器立即輸出一個(gè)幅值為e/的階躍,然后以固定速度e/TI變化。當(dāng)t=TI時(shí),調(diào)節(jié)器的總輸出為2e/。這樣,就可以根據(jù)圖3.1確定和TI的數(shù)值。還可以注意到,當(dāng)t=TI時(shí),輸出的積分部分正好等于比例部分。由此可見(jiàn),TI可以衡量積分部分在總輸出中所占的比重:TI愈小,積分部分所占的比重愈大。tTIOKcA2KcAu(t)tOAe(t)圖3.11PI調(diào)節(jié)器引入積分動(dòng)作帶來(lái)消除余差之

27、好處的同時(shí),卻降低了原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為保持控制系統(tǒng)原來(lái)的衰減率,PI調(diào)節(jié)器比例帶必須適當(dāng)加大,這樣會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間ts增大,最大偏差也會(huì)增大。四、微分調(diào)節(jié)的特點(diǎn)比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)都是根據(jù)當(dāng)時(shí)偏差的方向和大小進(jìn)行調(diào)節(jié)的,而不管那時(shí)被控對(duì)象中流入量與流出量之間有多大的不平衡,而這個(gè)不平衡正決定著此后被調(diào)量將如何變化的趨勢(shì)。由于被調(diào)量的變化速度(包括其大小和方向)可以反映當(dāng)時(shí)或稍前一些時(shí)間流入、流出量之間的不平衡情況,因此,如果調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)量的變化速度來(lái)移動(dòng)調(diào)節(jié)閥,而不要等到被調(diào)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開(kāi)始動(dòng)作,那么調(diào)節(jié)的效果將會(huì)更好,等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預(yù)見(jiàn)性,這種調(diào)節(jié)動(dòng)作稱(chēng)為微分調(diào)節(jié)。此

28、時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對(duì)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)成正比,即 (3.7)然而,單純按上訴規(guī)律動(dòng)作的調(diào)節(jié)器是不能工作的。這是因?yàn)閷?shí)際的調(diào)節(jié)器都有一定的失靈區(qū),如果被控對(duì)象的流入、流出量只相差很少以致被調(diào)量只以調(diào)節(jié)器不能察覺(jué)的速度緩慢變化時(shí),調(diào)節(jié)器并不會(huì)動(dòng)作。但是經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間以后,被調(diào)量偏差卻可以積累到相當(dāng)大的數(shù)字而得不到校正。這種情況當(dāng)然是不能允許的。因此微分調(diào)節(jié)只能起輔助的調(diào)節(jié)作用,它可以與其它調(diào)節(jié)動(dòng)作結(jié)合成PD和PID調(diào)節(jié)動(dòng)作。2.4 串級(jí)控制系統(tǒng)的PID整定方法在工程實(shí)踐中,串級(jí)控制系統(tǒng)常用的整定方法有以下三種:1、逐步逼近法:在主回路斷開(kāi)的情況下,按照單回路的整定方法求取副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù),

29、把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)設(shè)置在所求的數(shù)值上,然后使主回路閉合,仍按單回路整定方法求取主調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。爾后,將主調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置在所求得的數(shù)值上,再進(jìn)行整定,求取第二次副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值,然后再整定主調(diào)節(jié)器。依此類(lèi)推,逐步逼近,直至滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)要求為止。2、兩步整定法:兩步整定法就是第一步整定副調(diào)節(jié)器參數(shù),第二步整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。整定的具體步驟為: (1) 在工況穩(wěn)定,主回路閉合,主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下,主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%,然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減(如4:1)曲線(xiàn)法來(lái)整定副回路。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上,且把副回路

30、作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié),用同樣方法整定主回路,求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值,按單回路系統(tǒng)衰減曲線(xiàn)法的整定公式,計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”,“先比例后積分最后微分”的整定程序,設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù),再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn),必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)達(dá)到滿(mǎn)意為止。3、一步整定法:一步整定法,就是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)先確定副調(diào)節(jié)器的參數(shù),然后將副回路作為主回路的一個(gè)環(huán)節(jié),按單回路反饋控制系統(tǒng)的整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。具體的整定步驟為:(1) 在工況穩(wěn)定,系統(tǒng)為純比例作用的情況下,根據(jù)

31、K02/20.5這一關(guān)系式,通過(guò)副回路的放大系數(shù)K02,求取副調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)2或按經(jīng)驗(yàn)選取,并將其設(shè)置在副調(diào)節(jié)器上。(2) 按照單回路控制系統(tǒng)的任一種參數(shù)整定方法來(lái)整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。(3) 改變給定值,觀察被控制量的響應(yīng)曲線(xiàn)。根據(jù)主調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K1 和副調(diào)節(jié)器放大系數(shù)K2的匹配原理,適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器的參數(shù),使主參數(shù)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)指標(biāo)最佳。(4) 如果出現(xiàn)較大的振蕩現(xiàn)象,只要加大主調(diào)節(jié)器的比例度或增大積分時(shí)間常數(shù)TI,即可得到改善。2.5選擇適合本系統(tǒng)的控制規(guī)律一般來(lái)說(shuō),對(duì)于串級(jí)控制系統(tǒng),主變量不允許有余差。而對(duì)副變量的要求一般都不是很?chē)?yán)格,允許它有波動(dòng)和余差。為了主變量的穩(wěn)定,主調(diào)節(jié)器必須

32、具有積分作用。因此,主調(diào)節(jié)器通常都選用比例積分規(guī)律。有時(shí),對(duì)象控制通道容量滯后比較大(像溫度對(duì)象和成分對(duì)象等),為了克服容量滯后,選用比例積分微分三作用的調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器。副調(diào)節(jié)器的給定值隨主調(diào)節(jié)器輸出的變化而變化,為了能快速跟蹤,副調(diào)節(jié)器一般不設(shè)置積分作用,微分作用也不需要,因?yàn)楫?dāng)副調(diào)節(jié)器有微分作用時(shí),一旦主調(diào)節(jié)器的輸出稍有變化,執(zhí)行機(jī)構(gòu)就將大幅度地變化。但副調(diào)節(jié)器容量滯后比較大時(shí),可以適當(dāng)加一點(diǎn)微分作用,一般情況下,副調(diào)節(jié)器只需用比例作用就可以了。本系統(tǒng)的液位對(duì)象容量滯后比較大,故主調(diào)節(jié)器選用比例積分微分調(diào)節(jié)作用,而流量對(duì)象時(shí)間常數(shù)很小,副調(diào)節(jié)器只用比例作用。3 PLC系統(tǒng)的硬件配置SI

33、MATIC S7-200系列是西門(mén)子公司20世紀(jì)90年代投入市場(chǎng)的小型可編程序控制器,適用于各行各種場(chǎng)合中的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及控制的自動(dòng)化。S7-200系列的強(qiáng)大功能使其無(wú)論在獨(dú)立運(yùn)行中或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制功能,其應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,覆蓋所有與自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制有關(guān)的工業(yè)及民用領(lǐng)域。3.1 S7-200的工作原理S7-200采用循環(huán)掃描方式,一個(gè)掃描周期一般包括五個(gè)階段:輸入處理、執(zhí)行程序、處理通訊請(qǐng)求、執(zhí)行CPU自診斷測(cè)試和寫(xiě)輸出。 輸入處理階段對(duì)個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行輸入掃描,并將各掃描結(jié)果分別寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的映像寄存器中。在執(zhí)行程序階段,CPU從第一條指令開(kāi)始順序取指令并執(zhí)行,直到最后

34、一條指令結(jié)束。執(zhí)行指令時(shí)從映像寄存器中讀取各輸入點(diǎn)的狀態(tài),每條指令的執(zhí)行是對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算,然后將運(yùn)算結(jié)果送到輸出映像寄存器中。在掃描周期的信息處理階段,CPU自動(dòng)檢測(cè)并處理各通訊端口接收到的任何信息。即檢查是否有編程器、計(jì)算機(jī)等的通信請(qǐng)求,若有則進(jìn)行相應(yīng)處理,在這一階段完成數(shù)據(jù)通訊任務(wù)。CPU自診斷階段,CPU檢測(cè)主機(jī)硬件,同時(shí)也檢查所有的輸入輸出模塊的狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)異常,則停機(jī)并顯示出錯(cuò)。若自診斷正常,繼續(xù)向下掃描。寫(xiě)輸出階段,CPU用輸出映像寄存器中的數(shù)據(jù)幾乎同時(shí)集中對(duì)輸出點(diǎn)進(jìn)行刷新,通過(guò)輸出部件轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備所能接受的電壓或電流信號(hào),以驅(qū)動(dòng)被控設(shè)備。掃描周期執(zhí)行的任務(wù)依賴(lài)于C

35、PU的工作模式,S7-200 CPU有兩種操作模式:STOP模式和RUN模式。對(duì)于掃描周期,STOP模式和RUN模式的主要差別是在RUN模式下運(yùn)行用戶(hù)程序,而在STOP模式下不運(yùn)行用戶(hù)程序。PLC包括中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、電源,采用循環(huán)掃描的工作方式1)每次掃描過(guò)程。集中對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行刷新。 2)輸入刷新過(guò)程。當(dāng)輸入端口關(guān)閉時(shí),程序在進(jìn)行執(zhí)行階段時(shí),輸入端有新?tīng)顟B(tài),新?tīng)顟B(tài)不能被讀入。只有程序進(jìn)行下一次掃描時(shí),新?tīng)顟B(tài)才被讀入。 3)一個(gè)掃描周期分為輸入采樣,程序執(zhí)行,輸出刷新。 4)元件映象寄存器的內(nèi)容是隨著程序的執(zhí)行變化而變化的。 5)掃描周期的長(zhǎng)短由三條決定:C

36、PU執(zhí)行指令的速度;指令本身占有的時(shí)間;指令條數(shù)。 3.2PLC硬件配置3.2.1CPU的選擇S7-200系列PLC可提供4種不同的基本單元和6種型號(hào)的擴(kuò)展單元如表2.1所示。其系統(tǒng)構(gòu)成包括基本單元、擴(kuò)展單元、編程器、存儲(chǔ)卡、寫(xiě)入器等。表2.1 S7-200系列CPU22X單元型號(hào)輸入點(diǎn)輸出點(diǎn)可帶擴(kuò)展模塊數(shù)S7-200CPU221640S7-200CPU222862個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22424107個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU224XP24167個(gè)擴(kuò)展模塊S7-200CPU22624167個(gè)擴(kuò)展模塊本論文采用的是CPU222: 8路輸入、6路輸出??蛇B接2個(gè)擴(kuò)展模塊, 26K字節(jié)程序

37、和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器,2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出,具有PID控制器。2個(gè)RS485通訊/編程口,具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。I/O端子排可很容易地整體拆卸??赏耆m應(yīng)于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。3.2.2檢測(cè)裝置壓力傳感器、變送器:采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的壓力傳感器和工業(yè)用的擴(kuò)散硅壓力變送器,擴(kuò)散硅壓力變送器含不銹鋼隔離膜片,同時(shí)采用信號(hào)隔離技術(shù),對(duì)傳感器溫度漂移跟隨補(bǔ)償。對(duì)于不可壓縮的液體,液位高度與液體的靜壓力成正比,所以測(cè)出液體的靜壓力,即可知道液體的高度圖3.1測(cè)量變送環(huán)節(jié)的作用是將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的參

38、數(shù)經(jīng)過(guò)檢測(cè)、變送單元轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。在模擬儀表中,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常采用420mADC、15VDC的電流(電壓)信號(hào),或20100kPa的氣壓信號(hào);在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)儀表中,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是指數(shù)字信號(hào)。因在水箱液位控制系統(tǒng)中測(cè)量的是水箱液位,所以實(shí)驗(yàn)室選用的是壓力液位變送器。液位傳感器用來(lái)對(duì)水箱的液位進(jìn)行檢測(cè),對(duì)控制精度有直接的影響,DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器是一種新型的壓力檢測(cè)儀表。壓力測(cè)量頭的核心部件是擴(kuò)散硅壓力傳感器,因此沒(méi)有可動(dòng)部件,抗震性能優(yōu)良。儀表在工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中作為檢測(cè)環(huán)節(jié)用來(lái)測(cè)量液體、氣體或蒸氣的壓力,并將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換成420mADC的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出,與其它儀表配合實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)檢

39、測(cè)和控制。另外,本變送器按標(biāo)準(zhǔn)的二線(xiàn)制傳輸,采用高品質(zhì)、低功耗的精密器件,穩(wěn)定性、可靠性大大提高。因此,本設(shè)計(jì)采用工業(yè)用的DBYG擴(kuò)散硅壓力變送器,如圖2.4所示。流量傳感器、轉(zhuǎn)換器:流量傳感器分別用來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥支路、變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量。本裝置采用兩套流量傳感器、變送器分別對(duì)變頻支路及盤(pán)管出口支路的流量進(jìn)行測(cè)量,調(diào)節(jié)閥支路的流量檢測(cè)采用SIEMENS帶PROFIBUS-PA通訊接口的檢測(cè)和變送一體的電磁式流量計(jì)。 AIW0+ AQW0+ AIW0- AQW0_AIW1+ AIW1- Em235管道流量傳感器水箱液位傳感器電動(dòng)調(diào)節(jié)閥PLCI0.0+I0.0-3.2.3執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)

40、調(diào)節(jié)閥對(duì)控制回路流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用高性能稀土磁性材料制造的同步電機(jī),運(yùn)行平穩(wěn),體積小,力矩大,抗堵轉(zhuǎn),控制精度高??刂茊卧c電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一體化,可靠性高,操作方便,并可與計(jì)算機(jī)配套使用,組成最佳調(diào)節(jié)回路。有輸入控制信號(hào)4-20mA及單相電源即可控制與轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力流量溫度壓力等參數(shù)的調(diào)節(jié),具有體積小,重量輕,連線(xiàn)簡(jiǎn)單,泄漏量少的優(yōu)點(diǎn)。采用PS電子式直行程執(zhí)行機(jī)構(gòu),4-20mA閥位反饋信號(hào)輸出雙導(dǎo)向單座柱塞式閥芯,流量具有等百分比特性,直線(xiàn)特性和快開(kāi)特性,閥門(mén)采用彈簧連接,可預(yù)置閥門(mén)關(guān)斷力,保證閥門(mén)的可靠關(guān)斷,防止泄露。性能穩(wěn)定可靠,控制精度高,使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。調(diào)節(jié)閥:采用SIEMENS

41、帶PROFIBUS-PA通訊協(xié)議的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥,用來(lái)進(jìn)行控制回路流量的調(diào)節(jié)。它具有精度高、體積小、重量輕、推動(dòng)力大、耗氣量少、可靠性高、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。水泵:本裝置采用磁力驅(qū)動(dòng)泵,型號(hào)為16CQ-8P,流量為32升/分,揚(yáng)程為8米,功率為180W。量,以便調(diào)節(jié)流入流出容器的物料,使之達(dá)到物料的平衡,從而保證生產(chǎn)過(guò)程順利進(jìn)行。設(shè)計(jì)中涉及到液位的檢測(cè)和變送,以便系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)來(lái)調(diào)節(jié)通道中的水流量,控制水箱的液位。液位變送器分為浮力式、靜壓力式、電容式、應(yīng)變式、超聲波式、激光式、放射性式等。系統(tǒng)中用到的液位變送器是浙江浙大中控自動(dòng)化儀表有限公司生產(chǎn)的中控儀表SP0018G壓力變送器,屬于靜壓力式

42、液位變送器,量程為010KPa,精度為,由24V直流電源供電,可以從PLC的電源中獲得,輸出為420mA直流。3.2.4執(zhí)行單元執(zhí)行單元是構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)不可缺少的重要組成環(huán)節(jié),它接受來(lái)自調(diào)節(jié)單元的輸出信號(hào),并轉(zhuǎn)換成直角位移或轉(zhuǎn)角位移,以改變調(diào)節(jié)閥的流通面積,從而控制流入或流出被控過(guò)程的物料或能量實(shí)現(xiàn)過(guò)程參數(shù)的自動(dòng)控制。執(zhí)行器由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先將來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)轉(zhuǎn)變成推力或位移,對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(調(diào)節(jié)閥)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的推力或位移,改變調(diào)節(jié)閥的閥芯或閥座間的流通面積,以達(dá)到最終調(diào)節(jié)被控介質(zhì)的目的,來(lái)自調(diào)節(jié)器的信號(hào)經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換信號(hào)制式后,與來(lái)自執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置反饋

43、信號(hào)比較,其信號(hào)差值輸入到執(zhí)行機(jī)構(gòu),以確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用的方向和大小,其輸出的力或位移控制調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作,改變調(diào)節(jié)閥的流通面積,從而改變被控介質(zhì)的流量。當(dāng)位置反饋信號(hào)與輸入信號(hào)相等時(shí),系統(tǒng)處于平衡狀態(tài),調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度。系統(tǒng)中用到的調(diào)節(jié)閥是QS智能型調(diào)節(jié)閥,所用到的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),輸出為角行程,控制軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的組成框圖。來(lái)自PLC的模擬量輸出DC420mA信號(hào)Ii與位置反饋信號(hào)If進(jìn)行比較,其差值經(jīng)放大后,控制伺服電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),再經(jīng)減速器后,改變調(diào)節(jié)器的開(kāi)度,同時(shí)輸出軸的位移,經(jīng)位置發(fā)生器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)If。當(dāng)Ii=If時(shí),電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng),調(diào)節(jié)閥處于某一開(kāi)度,即Q=KIi,

44、式中Q為輸出軸的轉(zhuǎn)角,K為比例常數(shù)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥還提供手動(dòng)操作,它的上部有個(gè)手柄,和軸連接在一起,在系統(tǒng)掉電時(shí)可進(jìn)行手動(dòng)控制,保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用。液位是否符合要求水箱檢測(cè)液位是否符合要求調(diào)節(jié)主控面板調(diào)節(jié)SV1YNNY手動(dòng)/自動(dòng)控制起動(dòng)返回4 監(jiān)控系統(tǒng)MCGS本章介紹工業(yè)自動(dòng)化控制組態(tài)軟件MCGS( Monitor and Control Generated System,通用監(jiān)控系統(tǒng))的基本組成部分及其功能。MCGS組態(tài)通用監(jiān)控系統(tǒng)軟件是集動(dòng)畫(huà)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制與輸出、數(shù)據(jù)與曲線(xiàn)等諸多強(qiáng)大功能于一身,并支持國(guó)內(nèi)外眾多數(shù)據(jù)采集與設(shè)備輸出,通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理,以動(dòng)畫(huà)顯示、報(bào)警處

45、理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶(hù)提供解決實(shí)際問(wèn)題的方案,在自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域起著極其重要的作用。4.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程本實(shí)驗(yàn)選擇上水箱和氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥支路組成串級(jí)控制系統(tǒng)(也可采用變頻器支路)。實(shí)驗(yàn)之前先將儲(chǔ)水箱中貯足水量,然后將閥門(mén)F1-1、F1-2、F1-6全開(kāi),將上水箱出水閥門(mén)F1-9開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度,其余閥門(mén)均關(guān)閉。1、接通控制系統(tǒng)電源,打開(kāi)用作上位監(jiān)控的的PC機(jī),進(jìn)入的實(shí)驗(yàn)主界面。2、在實(shí)驗(yàn)主界面中選擇本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)即“上水箱液位與進(jìn)水口流量串級(jí)控制實(shí)驗(yàn)”,系統(tǒng)進(jìn)入正常的測(cè)試狀態(tài),呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)界面如圖3.3所示。圖3.3 實(shí)驗(yàn)界面3、在上位機(jī)監(jiān)控界面中,將副調(diào)節(jié)器設(shè)置為“手動(dòng)”,并將輸出值設(shè)置為一個(gè)合適

46、的值。4、合上三相電源空氣開(kāi)關(guān),磁力驅(qū)動(dòng)泵上電打水,適當(dāng)增加/減少副調(diào)節(jié)器的輸出量,使上水箱的液位穩(wěn)定于設(shè)定值。5、整定調(diào)節(jié)器的參數(shù),并按整定得到的參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)定。6、待上水箱進(jìn)水流量相對(duì)穩(wěn)定,且其液位穩(wěn)定于給定值時(shí),將調(diào)節(jié)器切換到“自動(dòng)”狀態(tài),待液位平衡后,通過(guò)以下幾種方式加干擾:(1) 突增(或突減)設(shè)定值的大小,使其有一個(gè)正(或負(fù))階躍增量的變化;(2) 將氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的旁路閥F1-3或F1-4(同電磁閥)開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度;(3) 將閥F1-5、F1-13開(kāi)至適當(dāng)開(kāi)度;以上幾種干擾均要求擾動(dòng)量為控制量的515,干擾過(guò)大可能造成水箱中水溢出。加入干擾后,水箱的液位便離開(kāi)原平衡狀態(tài),經(jīng)過(guò)一段

47、調(diào)節(jié)時(shí)間后,水箱液位穩(wěn)定于新的設(shè)定值(后面兩種干擾方法仍穩(wěn)定在原設(shè)定值)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)界面下邊的切換按鈕,觀察計(jì)算機(jī)記錄的設(shè)定值、輸出值和參數(shù),上水箱液位的響應(yīng)過(guò)程曲線(xiàn)將如圖3.4所示。圖3.4 上水箱液位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)7、適量改變調(diào)節(jié)器的PID參數(shù),重復(fù)步驟6,觀察計(jì)算機(jī)記錄不同參數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析4.2.1 整定過(guò)程分析3.5 主調(diào)節(jié)器設(shè)定(1) 如圖3.5所示,在工況穩(wěn)定,主回路閉合,主、副調(diào)節(jié)器都在純比例作用條件下,主調(diào)節(jié)器的比例度置于100%,然后用單回路控制系統(tǒng)的衰減(如4:1)曲線(xiàn)法來(lái)整定副回路。置副調(diào)節(jié)時(shí)間為最大值,微分時(shí)間為0,比例帶為較大值,將系統(tǒng)投入運(yùn)行。

48、待系統(tǒng)穩(wěn)定之后,做設(shè)定值階躍擾動(dòng),觀察響應(yīng),若系統(tǒng)衰減太快,則減小比例帶;若過(guò)慢,則增大比例帶。如此反復(fù)直到系統(tǒng)出現(xiàn)4:1衰減震蕩過(guò)程。記下相應(yīng)的比例度2S和振蕩周期T2S。(2) 將副調(diào)節(jié)器的比例度置于所求得的2S值上,且把副回路作為主回路中的一個(gè)環(huán)節(jié),用同樣方法整定主回路,求取主回路的比例度1S和振蕩周期T1S。(3) 根據(jù)求取的1S、T1S和2S、T2S值,按單回路系統(tǒng)衰減曲線(xiàn)法的整定公式,計(jì)算主、副調(diào)節(jié)器的比例度、積分時(shí)間TI和微分時(shí)間Td的數(shù)值。(4) 按“先副后主”,“先比例后積分最后微分”的整定程序,設(shè)置主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù),再觀察過(guò)渡過(guò)程曲線(xiàn),必要時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,直到過(guò)程的動(dòng)態(tài)

49、品質(zhì)達(dá)到滿(mǎn)意為止。上述過(guò)程為根據(jù)圖形進(jìn)行的理論計(jì)算,在試實(shí)驗(yàn)中用試湊法進(jìn)行整定。其方法為設(shè)置幾組參數(shù),分別投入運(yùn)行,觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線(xiàn)。原則為先整定副回路再整定主回路,先進(jìn)行比例積分最后進(jìn)行微分,比較各個(gè)步驟的曲線(xiàn)找出每組最優(yōu)。將所得的各個(gè)參數(shù)結(jié)合起來(lái),得到最終的整定參數(shù)。4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)將目標(biāo)液位設(shè)定為30mm,起始時(shí)間為零,起始液位為零。系統(tǒng)經(jīng)一段時(shí)間運(yùn)行后觀察歷史曲線(xiàn)圖如下圖6-2圖6-2通過(guò)本次課程設(shè)計(jì),加深對(duì)PLC知識(shí)的理解;了解力基于PLC的過(guò)程控制工程設(shè)計(jì)流程及方法;重點(diǎn)掌握PLC的I/O地址分配、信號(hào)采集、PID控制算法、程序編輯以及調(diào)試運(yùn)行方法。結(jié)合課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容,熟悉過(guò)

50、程控制工程中需要編寫(xiě)的技術(shù)文檔;加強(qiáng)對(duì)PLC編程能力;培養(yǎng)全面、周到的考慮實(shí)際問(wèn)題的習(xí)慣;學(xué)會(huì)查閱有關(guān)專(zhuān)業(yè)技術(shù)資料及設(shè)計(jì)手冊(cè),提高進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)的能力并完成課程設(shè)計(jì)相關(guān)任務(wù)。(1)了解水箱液位控制系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)、閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)和PID控制算法。(2)逐一明確各路檢測(cè)信號(hào)到PLC的輸入通道,包括傳感器的原理、連接方法、信號(hào)種類(lèi)、信號(hào)調(diào)節(jié)電路、引入PLC的接線(xiàn)以及PLC中的編址。(3)逐一明確PLC到各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸入通道,包括各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類(lèi)和工作原理,驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)成,PLC輸出信號(hào)的種類(lèi)和地址。(4)繪制水箱液位控制系統(tǒng)的電路原理圖,編制I/O口地址分配表。(5)編制PLC的程序,結(jié)合實(shí)驗(yàn)

51、室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行調(diào)試,要求盡可能多地在實(shí)驗(yàn)設(shè)備上演示控制過(guò)程。總結(jié)可編程序控制器PLC具有通用性強(qiáng),可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、編程方法簡(jiǎn)單易學(xué)、系統(tǒng)安裝調(diào)試方便等特點(diǎn),使其在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。組態(tài)軟件所具備的實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開(kāi)放、使用靈活、功能多樣,以及運(yùn)行可靠等特點(diǎn)使運(yùn)用工控組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)控任務(wù)已成為工業(yè)發(fā)展中的必然趨勢(shì)。本論文采用了可編程序控制器結(jié)合組態(tài)軟件監(jiān)控的控制方法,即采用SIEMENS公司的 S7-200系列PLC和MCGS組態(tài)軟件相結(jié)合的方法。通過(guò)設(shè)計(jì)和應(yīng)用后可以得到以下結(jié)論:(1)工業(yè)控制組態(tài)軟件MCGS是利用其設(shè)計(jì)的監(jiān)控畫(huà)面具有的動(dòng)態(tài)效果制作水箱的液位顯示圖,還可以在上面對(duì)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定和修改,用實(shí)時(shí)曲線(xiàn)的動(dòng)態(tài)顯示變化曲線(xiàn)觀看水箱的液位控制狀態(tài)的變化。(2)S7-200系列PLC的使用簡(jiǎn)化了水箱的控制系統(tǒng)。(3)MCGS組態(tài)軟件與PLC合用的控制系統(tǒng),合理地分擔(dān)了水位監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和控制的任務(wù),充分發(fā)揮不同設(shè)備各自的優(yōu)勢(shì),大幅度降低了工程時(shí)間和人力物力的消耗。本課題許多工作完成得不盡圓滿(mǎn),尚需進(jìn)一步完善深入,特別是軟件的數(shù)據(jù)處理功能有待加強(qiáng)。在保證實(shí)時(shí)性、可靠性的基礎(chǔ)上探索一些創(chuàng)新的、更有潛力的方案以提高系統(tǒng)控制的精確性和可靠性,進(jìn)一步完善系統(tǒng)的其他功能。

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