蓄水池液位控制系统课程设计

南华大学

过程控制仪表课程设计

设计题目 PLC控制的蓄水池液位系统 学生姓名 吴港南 专业班级 自动化1002班 学 号 *********** 指导老师 刘冲

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目录

1. 设计的目的和意义······································2

1.1 设计目的 ·············································3 1.2设计意义 ·············································3

2. 控制系统工艺流程及控制要求 ···························4

2.1 基本任务 ············································4 2.2 基求控制要求··········································4 2.3 给定条件··············································4 2.4 主要性能指标··········································4 2.5 工艺流程图············································5

3. 总体设计方案 ········································6

3.1 控制方法选择 ········································7 3.1.1控制方法选择········································7 3.1.2系统组成············································7 3.2 系统组成 ············································8

4. 软硬件设计 ··········································8

4.1 建模过程 ············································8 4.2 硬件开发及系统配置 ··································10 4.2.1PLC系统—CPU、模/数转换模块、数/模转换模块··········10

4.2.1 回路表·············································10

4.2.2PID指令············································11 4.2.3程序流程图·········································12 4.2.4程序···············································14

5. 课程设计实验 ·······································18

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6. 遇到的问题及解决方法 ·······························18 7. 收获和体会 ·········································19 参考文献·············································19

·

第

1章 设计的目的及意义

1.1设计目的

对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。

1.2设计意义

在人们生活以及工业生产等诸多领域经常涉及到液位和流量的控制问题, 例如居民生活用水的供应, 饮料、食品加工, 溶液过滤, 化工生产等多种行业的生产加工过程, 通常需要使用蓄液池, 蓄液池中的液位需要维持合适的高度, 既不能太满溢出造成浪费, 也不能过少而无法满足需求。因此液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。可编程控制器（PLC）是计算机家族中的一员，是为工业控制应用而设计制造的，主要用来代替继电器实现逻辑控制。 PID控制（比例、积分和微分控制）是目前采用最多的控制方法。 本文主要是对一水箱液位控制系统的设计过程，涉及到液位的动态控制、控制系统的建模、PLC控制、PID算法、传感器和调节阀等一系列的知识。作为单容水箱液位的控制系统，其模型为一阶惯性函数，控制方式采用了PID算法，控制核心为S7-200系列的CPU222以及A/D、D/A转换模块，传感器为扩散硅式压力传感器，调节阀为电动调节阀。选用以上的器件设备、控制方案和算法等，是为了能最大限度地满足系统对诸如控制精度、调节时间和超调量等控制品质的要求。

液面高度是工业控制过程中一个重要的参数，特别是在动态的状态下，采用适合的方法对液位进行检测、控制，能收到很好的效果。液位控制是工业生产中典型的过程控制问题，对液位准确的测量和有效的控制是一些设备优质、高产、

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低耗和安全生产的重要指标。由于它便于直接观察、容易测量、获取方便、过程时间常数一般比较小、价格低廉等特点，所以被广泛应用于工业测量。

在工业过程控制系统中，目前采用最多的控制方式依然是PID控制。即使在美国、日本等工业发达国家，PID控制的使用率仍达90%，可见PID控制在工业过程控制中占有异常重要的地位。PID控制技术经历了数十年的发展，从模拟PID控制发展到数字PID控制，技术不断完善与成熟。尤其近十多年来，随着微处理技术的发展，国内外对智能控制的理论研究和应用研究十分活跃，智能控制技术发展迅速，如专家控制、自适应控制、模糊控制等，现己成为工业过程控制的重要组成部分。

由于液体本身的属性及控制机构的摩擦、噪声等的影响，控制对具有一定的纯滞后和容量滞后的特点，液位上升的过程缓慢，呈非线性。因此液位控制装置的可靠性与控制方案的准确性是影响整个系统性能的关键。本课题针对液位控制设计了一个由压力传感器、PLC、电动调节阀等组成的系统，并采用了增量式PID算法对其控制。

第2章 蓄水池系统工艺流程及控制要求

2.1基本任务

对蓄水池箱液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使蓄水池的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水,调节阀2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。

2.2 基本控制要求

对蓄水池，用西门子S7-200为控制核心，辅助以单片机系统配套的A/D、D/A转换单元及电路,通过执行数字PID程序实现参数的自动调整(设定值在单片机键盘上完成),使水箱的实际液位/压力值与设定值接近,最终稳定于设定值。组成单闭环水位调节系统，,要求水位可以在一定范围内由人工设定，且各种测量、控制参数可在人机界面上显示、设定。

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2.3给定条件

 控制对象：蓄水池为核心的水循环系统  检测元件：压力式液位传感器  执行元件：电动调节阀

2.4 主要性能指标

 液位控制范围：0-3m  最小区分度：1cm

 控制精度：液位控制的静态误差≤1cm

2.5 工艺流程图

图2-1 单容液位蓄水池示意图 上图是对蓄水池液位/压力控制系统。这是一个单回路反馈控制系统,控制的任务是使水箱的液位/压力等于给定值,减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。用液位/压力参数为被控对象。交流电动机带动齿轮泵通过阀Q1向上水箱供水,调节阀Q2使之同时向外排水,令入水的速度大于出水的速度,达到被控参数(液位/压力)的动态调整。

其具体的建模过程为：被控过程的数学模型就是液位高度h与流入量Q1 之间的数学表达式。根据动态物料平衡关系，有：

Q1Q2Adhdt （1）

写成增量形式：

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Q1Q2Adhdt （2）

式中，Q1、Q2和h分别为偏离某平衡状态Q10、 Q20和h0的增量，A为水箱的横截面积。

dh0Q1Q2dt静态时应有，。Q1发生变化，液位h也随之变化，使水箱出

口处静压力发生变化，因此Q2也发生变化，与h的近似线性关系为：

Q2hR2 （3）

式中，R2为阀门2的阻力系数，称为液阻。将（2）（3）两式整理得：

R2AdhhR2Q1dt （5）

经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：

W0(s)K0R2H(s)Q1(s)R2Cs1T0s1 （6）

式中，K0为过程放大系数，K0R2；T0为过程的时间常数，T0R2C；C为过程容量，CA。

式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。

第3章 总体设计方案

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3.1 总体方案的选择

蓄水池的液位控制系统是一阶惯性系统，原因是此系统的数学模型为：

W0(S)K0H(S)Q(S)T0S1，此模型为一阶传递函数。

3.1.1 控制方法选择

蓄水池液位控制系统可归属于一阶惯性环节，一般来说，对一阶惯性环节的

过渡过程控制，可采用以下几种控制方案：

（1）输出开关量控制;（2）比例控制（P控制）;（3）比例积分控制（PI控制）;（4）比例积分加微分控制（PID控制）。

PID控制适用与负荷变化大、容量滞后较大、控制品质要求又较高的控制系统。另外，PID算法有两种常见的实现形式：位置型PID算法和增量型PID算法，结合本系统设计任务与要求，以及以上对几种控制方法的分析来看，增量式PID控制方法最适合本系统采用。

3.1.2 系统组成

以现代控制理论和PLC为基础，采用数字控制、显示、A/D与D/A转换，配合执行器与控制阀构成的PLC控制系统，在过程控制中得到越来越广泛的应用。

由于本例是一个典型的检测、控制型应用系统，因此，应以PLC为核心组成一个专用PLC应用系统，以满足检测、控制应用类型的功能要求。

3.2 确定系统功能、性能指标

本例以实现设计任务基本要求为重点，力求在满足主要性能指标的基础上实现系统的最佳性能/价格比，对于系统要求的扩展功能将在最后讨论。

根据设计任务基本要求，本系统应具有以下几种基本功能：  可以进行水位设定，并自动调节水位到给定水位值；

 可以调整PID控制参数，以满足不同控制对象与控制品质的要求；  可以实时显示给定值与水位实测值。 系统主要性能指标如下：

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 液位控制范围：0-3m  最小区分度：1cm

 控制精度：液位控制的静态误差≤1cm

第四章 软硬件设计

4.1 建模过程

系统示意图如图2-1所示：

经拉氏变换，得单容液位过程传递函数为：

W0(s)K0R2H(s)Q1(s)R2Cs1T0s1 （6）

式中，K0为过程放大系数，K0R2；T0为过程的时间常数，T0R2C；C为过程容量，CA。式（6）为一阶传递函数，可知单容水箱液位控制系统为一阶惯性系统。确定其放大系数和过程的时间常数便可以完整的把模型建好，以下便讨论模型参数的确定过程。

在此实验中，由于出水阀开度保持不变，出水速度只与液位高度有关。因出水管的流量为qv =vS，根据实验所测得的多组数据，可以计算出出水管的液阻，见表4-1。

多次求平均可得液阻值为6370.207。

另外，水箱底部截面积的实验测量值为 0.06605 m2，由此可求得过程放大系数K0=6370.207，过程的时间常数T0=420.7648。所以系统无时延模型为：

W0(s)K06370T0s1420s1 （7）

4.1.1 系统功能划分、指标分配和框图构成

根据系统总体方案，系统由四个主要功能模块组成，其总体框图如图4-1所示：

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水槽水位传感器信号调理电路S-700系统人机界面电动调节阀 图4-1 水位控制系统总体流程图

4.2 硬件开发——系统配置

4.2.1 PLC系统——CPU、模/数转换模块、数/模转换模块

PLC系统以西门子S7-200系列CPU222为系统的核心，外扩EM 231作为A/D转换模块和EM 232作为D/A转换模块，如图4-2所示。

图4-2 PLC原理示意图

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图4-3 电动调节阀的组成框图

4.2.2 回路表

PID指令根据表（TBL）内的输入输出配置信息对引用回路（LOOP）执行PID运算。PID指令有两个操作数，表示循环表起始地址及回路号LOOP，回路号是0-7的常量。程序内可使用8条PID指令。如果两个或多个PID指令使用相同的回路号（即使它们的表地址不同），PID运算将相互干扰，结果难以预料。循环表存储9个参数，用于控制及监控循环操作，包括过程变量、设定值、输出值、增益、采样时间、积分时间、微分时间、积分前项以及过程变量前项值。在PID指令块内输入的表（TBL）起始位置开始为回路表分配36个字节的空间，见表1。

表1 PID的回路表

偏移地址 域 0 过程变量PVn 格式 类型 说明 在0.0~0.1之间 双字-实输入 数 4 设定值SPn 双字-实输入 数 在0.0~0.1之间 8 输出Mn 双字-实输入/输在0.0~0.1之间 数 出 可为正数或负数 12 增益Kc 双字-实输入 数 16 采样时间Ts 双字-实输入 数 以秒为单位，必须为正数 20 积分时间Ti 双字-实输入 10

以分钟为单位，必须为正数

数 24 微分时间Td 双字-实输入 数 28 积分前项MX 双字-实输入/输在0.0~0.1之间 数 32 过程变量前值 出 以分钟为单位，必须为正数 双字-实输入/输最后一次运算的过程变量 数 出 4.2.3 PID指令

PID指令的表示：其梯形图和语句表示如图5-3所示。  PID指令的操作：PID指令必须用在定时发生的中断程序中，当

PID指令被允许时，PID指令根据回路表中的数据进行PID（比

例、积分、微分）运算，并得到输出控制量。 图5-3 PID指令

 数值范围

回路表TBL：VB

回路号LOOP：常数（0～7） PID调节器的个参数为：

比例度=0.102 积分时间TI =6min 微分时间TD=1.5min 采样时间TS=1s

11100%KPKP=0.98 得增益

再由

表4-2=0.75时有自衡能力过程的整定公式

调节 规律 WC（s） P 1 /T≤0.2 0.2≤/T≤2.5  1T0 TI TD  2.6TI 0.080.7TD T0 11

T0

PI PID 11TIs 1.1T0 3.3 0.082.6T00.6T0 0.8T0 11TDsTIs 

2 0.85 T0 0.15T2.600.5 0.8T00.190.25TI 0.08 T0 4.2.4 程序流程图

有了前面所讲述的S7-200 CPU提供的PID操作指令、PID编程步骤、电动调

节阀参数的整定过程，再结合水箱液位控制系统本身的特点，可以从整体上来构思和规划出本系统的程序流程图，它应包括主程序、初始化子程序、定时中断程序三部分：  主程序OB1

主程序的功能是PLC首次运行时利用SM0.1调用初始化程序SBR0。  子程序SBR0

子程序SBR0的功能是形成PID的回路表，建立100ms的定时中断，并开中断。其流程图如下：

图4-4子程序SBR0

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 定时中断程序INT0

定时中断程序INT0的功能是输入水箱的水面高度AIW0的值，并送入回路表。其流程图如下：

图4-5定时中断程序INT0

4.2.5程序

 主程序OB1：

 初始化子程序SBRO：

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 定时中断程序INTO： （a）模拟量输入

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（b）PID指令

（c）模拟量输出

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系统运行时，调节阀控制方式有两种，一是手动控制，一是自动控制，两种运行方式之间的切换由一个输入的开关量控制，具体描述如下：I0.0位控制手动到自动方式的切换，0代表手动，1代表自动。

本系统的程序仅有自动控制方式的设计，I0.0=1时进行PID“自动”控制，把PID运算的输出值送到AQW0中，从而控制调节阀的开度，以使水箱的液位达到设定的水位高度。 4.2.6仿真

按照上述原则，在Simulink中搭建如图4-4所示的双闭环常规PID液位控制系统的仿真图形，双闭环的被控对象就是上面所建立的模型。在内环加一个饱和特性，因为内环是由调节阀输出到上水箱的，由于调节阀的最大开度是100，在实验时当阀门达到100以后，即使前面在有大的输入，阀门的开度仍然

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限制在100，因此在做仿真实验时也要对其进行限制，以做到尽可能的做到符合实际情况。所以加了一个饱和特性，上限是100，下限是O。

图4-6 matlab仿真

通过不断的对参数的调试，选择得到如下的合理参数：KP=0.45，KI=0.0029，KD=3；内环比例系数K=5。运行后，得到响应曲线如图4-5所示。由图可知，超调约为5.42%，在2%误差带的调节时间约为455s，稳态误差约为0.21cm。

图4-7 PID调整稳定图

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第五章.课程设计实验

连机调试就是在样机中全速运行系统软件，观察系统运行情况，并根据运行结果修改控制参数，或对软、硬件方案件进行必要的修改，重复调试过程，直到系统能满足各项性能指标要求为止。

控制系统设计完成后，最主要的任务就是调试，调试工作分为两大阶段，一是实验室调试阶段，二是现场调试阶段：

一、 实验室调试：应分为硬件调试和软件调试两部分，首先是硬件调试，根据

设计逻辑图搭建好系统后，便进入硬件调试阶段。其次是软件调试，即为调节器的参数整定。经过硬件、软件的单独调试后，即可进入硬件、软件联合调试阶段，找出硬件、软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。 二、 现场调试：实验室调试工作完成以后，即可组装成系统，在现场投运行和

进一步调试，并根据运行及调试中的问题反复进行修改。值得说明的是，软件、硬件的调试是一个综合性的系统工程，必须反复进行才能完成。 本例中最主要的连机调试过程是进行PID参数整定。不同的控制对象和控制环境需要不同的PID参数，即使是同一个控制对象和控制环境，对控制品质的不同要求也需要对PID参数重新进行整定。

根据生产过程的实际情况，首先将检测传感器投入运行，观察其测量显示的参数是否正确；其次利用调节阀手动遥控，待被控参数在给定值附近稳定下来后，再从手动切换到自动控制。

在调节器从手动切换到自动运行前必须做好细致的检查工作，检查调节器的PID参数是否配置好等。检查完毕后，当测量值与给定值的偏差为零时，将调节器由手动切换到自动，于是实现了系统的投运。

系统投入自动运行后，观察系统的控制质量指标是否达到设计要求，否则，在对调节器的PID参数适当的微调，以期达到较好的控制质量的设计。

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第6章 调试或仿真过程中遇到具体问题和解决的办法

在调试仿真中，我们发现，当工业对象存在时变性、非线性和不确定性

时，PID控制往往不能保证良好的控制品质，对于大惯性、大时滞的对象，其效果也不能令人满意，原因在于常规PID控制器的参数是经离线整定后相对固定，不能根据对象特性变化和动态过程修改控制参数。在实际工业控制过程中，由于对象的特性变化或者具有动态特性，需要采取更加灵活有效的控制方式，因此我们决定采用增量式PID。

第7章 收获和体会。

通过这段时间不懈的努力，我们终于完成了课程设计---蓄水池的液位控制系统设计。在这段时间中，我们不仅对之前学到的专业知识加强了巩固，更重要的是我学到了更多新的知识，掌握了设计一个系统的步骤、方法、设计思想。 在这次设计初，我们进入了资料搜寻阶段，不仅经常到图书馆查找资料，而且在网上也搜到很多有用的资料，了解了蓄水池的液位控制系统发展的状况以及研究现状，从中得到了许多对设计有用的东西，并最终确定一套设计方案。 在设计中我们尽量做到完善，但始终还存在很多不能令人满意的地方，这些地方也暴露了我们以前学习过程中的不足之处。我们一定在以后的学习中逐渐改善！

参考文献

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[5] SIEMENS SIMATIC S7-200可编程序控制器系统手册，订号

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S-200实物图

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扩散硅压力传感器1151DP

电动单座调节阀-ZRSP

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