单容水箱液位恒值控制系统设计(共32页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上过程控制系统课程设计专 业： 自 动 化 设计题目：单容水箱液位恒值控制系统设计 班级：自0942学生姓名：学号：指导教师： 分院院长： 教研室主任： 电气工程学院一、课程设计任务书 1. 设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽到高液位池，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，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，实现实时监控的目的。2. 设计要求1）以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对

2、象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。2）PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量15%，稳态误差0.1；调节时间ts10s；3）组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；并能显示历史曲线。4）选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；5）通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；6）分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；7）设计完成后，提交打

3、印设计报告。 3. 参考资料1）邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.20032）崔亚嵩主编.过程控制实验指导书（校内）3）廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074）吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.20074. 设计进度（2012年12月3日至2011年12月16日）时间设计内容2012年12月3日 布置设计任务、查阅资料、进行硬件系统设计2012年12月4日2012年12月5日编制PLC控制程序，并上机调试；2012年12月6日2012年12月7日利用MCGS组态软件建立该系统的工程文件201

4、2年12月10日2012年12月12日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定2012年12月13日2012年12月14日系统运行调试，实现单容水箱液体定值控制2012年1月15日2012年1月16日写设计报告书5. 设计时间及地点设计时间：上午：8：0011：00下午：1：004：00晚上：6：009：00设计地点：新实验楼，过程控制实验室（310） 机房（323）过程控制系统课程设计报告班 级：自动化0942 姓 名： 学 号： 37 指导教师： 撰写日期：2012-12-5 专心-专注-专业引言本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。在设计中用到的PID算法提到得较

5、多，PLC方面的知识较少。并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了PID液位控制模拟界面和算法程序，进行了系统仿真，并通过整定PID参数，同时得出了整定后的仿真曲线和实际曲线。PLC在工业自动化中应用的十分广泛。PID控制经过很长时间的发展，已经成为工业中重要的控制手段。本设计就是基于PLC的PID算法对液位进行控制。PLC经传感电路进行液位高度的采集，然后经过自动调节方式来确定完PID参数后，通过控制直流泵的工作时间来实现液位的控制。MCGS(监视与控制通用系统)是用于快速构造上位机监控系统的组态软件系统，系统的监测环节就是通过MCGS来设计的。这样我们就可以通过组态画面对液位高度和泵

6、的起停情况进行监测，而且可以对PLC进行启动、停止、液位高度设置等控制。整个系统运行稳定、简单实用，MCGS与PLC通信流畅。过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。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，目前许多小型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。第一章 课程设计内容与要求分析1.1课程设计内容针对某厂的液位控制过程与要求实现模拟控制，其工艺过程如下：用泵作为原动力，把水从低液位池抽

7、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，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，实现实时监控的目的。1.2课程设计要求（1） 以RTGK-2型过程控制实验装置中的单个水箱作为被控对象、PLC作为控制器、静压式压力表作为检测元件、电动调节阀作为执行器构成一个单容水箱单闭环控制系统，实现对水箱液位的恒值控制。（2） PLC控制器采用PID算法，各项控制性能满足要求：超调量20%，稳态误差0.1；调节时间ts60s；（3） 组态测控界面上，实时设定并显示液位给定值、测量值及控制器输出值；

8、实时显示液位给定值实时曲线、液位测量值实时曲线和PID输出值实时曲线；（4） 选择合适的整定方法确定PID参数，并能在组态测控界面上实时改变PID参数；（5） 通过S7-200PLC编程软件Step7实现PLC程序设计与调试；（6） 分析系统基本控制特性，并得出相应的结论；（7） 设计完成后，提交打印设计报告。1.3PID控制的原理工程实际中，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

9、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。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。1. 比例环节 用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。2. 积分环节主要用来消除系统的稳态

10、误差。越小，系统的静态误差消除越快，但过小，在响应过程的初期会产生积分饱和现象，从而引起响应过程的较大超调。若过大，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。3. 微分环节 能改善系统的动态特性，其作用主要是在响应过程中抑制偏差向任何方向的变化，对偏差变化进行提前预报。但过大，会使响应过程提前制动，从而延长调节时间，而且会降低系统的抗干扰性能。第二章 MCGS组态软件的概述2.1MCGS组态软件介绍MCGS(Monitor and Control Generated System，监视与控制通用系统)是一套基于windows95/98/NT操作系统(或更高版本)，用来可快速构造和生成上位机

11、监控系统的组态软件系统，它为用户提供了从设备驱动、数据采集到数据处理、报警处理、流程控制、动画显示、报表输出等解决实际工程问题的完整方案和操作工具。MCGS组态软件具有多任务、多线程功能，其系统框架采用VC+语言编程，通过OLE技术向用户提供VB编程接口，提供丰富的设备驱动件、动画构件、策略构件，用户可随时方便地扩充系统的功能。工程创建的一般过程为：（1） 工程项目系统分析：分析工程项目的系统构成、技术要求和工艺流程，弄清系统的控制流程和监控对象的特征，明确监控要求和动画显示方式，分析工程中的设备采集及输出通道与软件中实时数据库变量的对应关系，分清哪些变量是要求与设备连接的，哪些变量是软件内部

12、用来传递数据及动画显示的。（2） 工程各项搭建框架：MCGS称为建立新工程。主要内容包括：定义工程名称、封面窗口名称和启动窗口（封面窗口退出后接着显示的窗口）名称，指定存盘数据库文件的名称以及存盘数据库，设定动画刷新的周期。经过此步操作，即在MCGS组态环境中，建立了由五部分组成的工程结构框架。封面窗口和启动窗口也可等到建立了用户窗口后，再行建立。（3） 设计菜单基本体系：为了对系统运行的状态及工作流程进行有效地调度和控制，通常要在主控窗口内编制菜单。编制菜单分两步进行，第一步首先搭建菜单的框架，第二步再对各级菜单命令进行功能组态。在组态过程中，可根据实际需要，随时对菜单的内容进行增加或删除，

13、不断完善工程的菜单。（4） 制作动画显示画面：动画制作分为静态图形设计和动态属性设置两个过程。前一部分类似于“画画”，用户通过MCGS组态软件中提供的基本图形元素及动画构件库，在用户窗口内“组合”成各种复杂的画面。后一部分则设置图形的动画属性，与实时数据库中定义的变量建立相关性的连接关系，作为动画图形的驱动源。（5） 编写控制流程程序：在运行策略窗口内，从策略构件箱中，选择所需功能策略构件，构成各种功能模块（称为策略块），由这些模块实现各种人机交互操作。MCGS还为用户提供了编程用的功能构件（称之为“脚本程序”功能构件），使用简单的编程语言，编写工程控制程序。（6） 完善菜单按钮功能：包括对菜

14、单命令、监控器件、操作按钮的功能组态；实现历史数据、实时数据、各种曲线、数据报表、报警信息输出等功能；建立工程安全机制等。（7） 编写程序调试工程：利用调试程序产生的模拟数据，检查动画显示和控制流程是否正确。（8） 连接设备驱动程序：选定与设备相匹配的设备构件，连接设备通道，确定数据变量的数据处理方式，完成设备属性的设置。此项操作在设备窗口内进行。2.2MCGS组态软件设计我们在建立画面之前先建立工程：1. 单击文件菜单中“新建工程”选项，由于MCGS安装在D盘根目录下，则会在D：MCGSWORK下自动生成新建工程，默认的工程名为：“新建工程0X.MCG”，其中0表示工程的序号。 2. 选择文

15、件菜单中的“工程另存为”菜单项，弹出文件保存窗口。 3. 在MCGS组态平台上，单击“用户窗口”，在“用户窗口”中单击“新建窗口”按钮，则产生新“窗口0”，将其改名为“单容水箱”，同理，建立“窗口1” “窗口2”将其改名为“历史曲线” “退出提示”，见图2-1所示：2-1 用户窗口4. 单击“窗口属性”，进入“用户窗口属性设置”，将“窗口名称”改为：单容水箱；将“窗口标题”改为：单容水箱；在“窗口位置”中选中“最大化显示”，其它不变，单击“确认”。5. 选中刚创建的“单容水箱”用户窗口，单击“动画组态”，进入动画制作窗口。 选择工具栏如图2-2所示：图2-2 MCGS工具箱通过MCGS工具箱画

16、出如图2-3的界面：图2-3 动画组态过程控制6. 同样历史曲线、 退出提示，如上述绘画，如图2-4,2-5所示：图2-4 历史曲线图2-5 退出提示7. 以设定值为例，在MCGS工具箱双击弹出“动态属性设置”，在其中的“填充颜色”选黑色，“边线颜色”选黑色，“字符颜色”选红色。在下面的“大小变化”前打对号，在其表达式中填入“SP”，在“最大变化百分比”中填入100，“表达式的值”中填入50，“变化方向”选择向上，如图2-6所示：图2-6大小变化设置2.3设备安装与连接1. 在“实时数据库”中建立多个对象，如图2-7所示：图2-7 实时数据库2. 双击“通用串口父设备”，在“基本属性”完成设置

17、，如图2-8所示：图2-8 基本属性3. 再在“通用串口父设备”中双击s7200-西门子S7-200PP，点击其中的“基本属性”完成设置，如图2-9所示：图2-9基本属性4. 同理，在“通道连接” “设备调试”中完成设置，如图2-10，2-11所示：图2-10 通话连接图2-11设备调试第三章 S7-200PLC编程设计3.1S7-200PLC介绍S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。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，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机

18、床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。 S7-200系列出色表现在以下几个方面： （1） 极高的可靠性 （2） 极丰富的指令集 （3） 易于掌握 （4） 丰富的内置集成功能 （5） 实时特性 （6） 强劲的通讯能力 （7） 丰富的扩展模块 3.2S7-200PLC设计程序1. Network 1VD400:测量值显示单元；VD404：设定值显示单元；VD408：输出值显示单元取测量值并显示和存放；设定给定值并存放；取输出值并显示；（PID指令回路表存放设定值和测量值），如图3-1所示：图3-1 Network 12. Net

19、work 2清设定值，测量值，输出值，比例系数，积分系数，微分系数单元。如图3-2所示：图3-2 Network 23. Network 3置PID回路表首地址，置第0号PID。设置采样时间，存放积分前向初值，如图3-3所示：图3-3 Network 34. Network 4数/模转换输出前的工程量化：将VD5（标准化实数0.0-1.0）转化为16位整数，并送模拟量输出存储区AQW0，实现数/模转换。如图3-4所示：图3-4 Network 45. Network 5模/数转换输入后的工程量化：将第0路模/数转换结果AIW0（16位整数）转化为标准实数（0.0-1.0），并存入测量值单元VD

20、400.如图3-5所示：图3-5 Network 5第四章 系统运行调试4.1设备安装与调试将实验所需的设备如液位变送器、PLC、调节阀等安装并接线。图4-1 控制系统示意图图4-2 控制系统框图4.2系统运行数据调试4.2.1等幅震荡设Kc=550，SP=15时，产生震荡，如图4-3所示：图4-3 等幅震荡时曲线根据等幅震荡所获得的历史曲线图如图4-4所示，记录波峰时所在的时间，然后计算得出=26s。图4-4 等幅震荡时历史曲线4.2.2P调节器由图4-2可知，=26s，Kc=550，则k=1/Kc=1/550, 由表1-1可知：表1-1 临界振荡整定计算公式 Ti Td P 2k PI 2

21、.2k Tk/1.2 PID 1.6k 0.5Tk 0.25Ti可得到，=2k=2*(1/550)=1/275，则Kc=1/=275，如图4-5所示：图4-5 P调时的整定状态4.2.3PI调节器由表1-1可知，=2.2k=2.2*(1/550)=2.2/275，则Kc=1/=275/2.2=250，Ti=Tk/1.2=26/1.2=21.7s，则Ki=Kc/Ti=250/21.7=11.52，如图4-6所示：图4-6 PI调时的整定状态4.2.4PID调节器由表1-1可知，=1.6k=1.6*(1/550)，则Kc=1/=550/1.6=343.75。Ti=0.5Tk=0.5*26=13s，

22、则，Ki=Kc/Ti=343.75/13=26.45，Td=0.25Ti=0.25*13=3.25s，则Kd=Kc*Td=343.75*3.25=1117.2，如图4-7所示：图4-7 PID调时的整定状态4.3P、PI、PID调节器的比较图4-8与4-9为P、PI、PID调的整定历史曲线，通过观察与比较这三种调节器的历史曲线，得到如下结论：（1） P调时，控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。（2） PI 调时，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系，积分控制可以是系统实现无静差的情况下保持恒速运行，实现无差调速，消除稳态误差。（3） PID调时，控

23、制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。具有抑制误差的作用，还有明显减小了超调量。由（1）（2）（3）比较可知，PID作用调节质量最好，PI调节第二。纯比例调节虽然动偏差比PI调节小，但余差大。图4-8 P、PI调整定历史曲线图4-9 PID调整定历史曲线课程设计总结这次过程控制课程设计给我带来了很多的收获。首先，是知识方面的收获，通过这次课程设计让我对所学课程又有了更多的了解，对这门学科在现实生活中的应用也有了更多的了解，我体会到了知识在现代社会中的重要作用。其次，是与人沟通方面的收获，现代社会生活节奏较快，知识更新速度加快，每个人都应该不断学习，不断充实自己，要学会与人

24、合作，这样才能提高办事效率，如果不与人合作，往往事倍功半。通过本次课设，对组态软件的认识与了解更加深刻了。在自己动手设计调试的过程中，使我对PLC和应用有了更深一步的了解，相信对以后会有很大的帮助。PLC和过程控制在现代生产中有着非常广泛的应用，是非常实用非常重要的知识。这次课设把变频器和PLC联系在一起，让我对所学知识有了更加灵活的掌握。在以后的生活中，如果有时间，我想再多学习一些有关PLC和变频器方面的知识。感谢老师让我们学到了那么多宝贵的知识。总结人姓名： 2012年12月5参考文献1邵裕森,戴先中.过程控制工程(第2版).北京:机械工业出版社.20032崔亚嵩.过程控制实验指导书（校内）3廖常初.PLC编程及应用(第2版).北京:机械工业出版社.20074吴作明.工业组态软件与PLC应用技术.北京:北京航空航天大学出版社.2007评分项目评分标准量化分数1.独立分析与解决问题的能力很强较强一般不能102组态界面设计、PLC程序编制及系统调试界面程序硬件分析调试353.报告撰写情况规范整洁逻辑杂乱有错误254.辅导答疑积极认真应付消极105.设计态度积极认真应付消极107.出勤全勤缺勤次数10附加评语量化总分评语及成绩 课程设计成绩： 指导教师：