毕业设计
学生姓名：学号：
学院：电气工程学院
专业：
题目：基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计指导教师：
评阅教师：
2014年6月
由于PLC的迅速发展，PLC于工业控制中越来越重要，而液位控制正是其在工业控制中的重要体现。与此同时，监控组态软件也被大量配合PLC共同应用到工业控制当中。通过对课题的研究，以双容水箱液位控制为对象，设计了基于PLC的液位监控系统。完成了PLC的硬件设计和软件设计，主要包括硬件选型、编制元器件I/O总表、绘制主电路图、控制电路图以及S7-200外围接线图等；编写了系统控制的PLC梯形程序图。最后基于昆仑通态MCGS软件完成了对液位监控系统设计，包括监控总界面、控制界面，趋势曲线等模块；同时实现了上位机MCGS与下位机PLC之间的通讯调试工作。
关键词：PLC 组态软件双容水箱 MCGS 监控系统
Title Monitoring System of Double Capacity Water Tank of
Configuration Software Based on MCGS
Abstract
Due to the rapid development of PLC, PLC in industrial control is more and more important, and its level control in the important embodiment of industrial control.At the same time, monitoring configuration software has also been a large number of cooperate with PLC application in industrial control. Based on the research of the subject, based on double capacity water tank level control object, the liquid level monitoring system based on PLC is designed. Completed the PLC hardware design and software design, including hardware components selection, preparation of I/O table, drawing the main circuit, control circuit diagram and outer wiring diagram S7-200, etc.; Write the system controlled by PLC ladder diagram program. The kunlun state based on the MCGS software completed the design of liquid level monitoring system, including monitoring total interface, control interface, trend curve module; To realize the upper machine under the MCGS and at the same time.
Key Words PLC Configuration software Double capacity water MCGS Monitoring system
本科毕业设计第I 页共I 页
目录
1绪论 (1)
1.1 课题研究与应用背景 (1)
1.2 课题研究的意义 (1)
1.3 课题研究的内容 (2)
2 MCGS组态软件 (3)
2.1 MCGS组态软件的系统构成 (3)
2.2 MCGS组态软件的工作方式 (4)
3 双容水箱液位控制系统的方案设计 (6)
3.1 单回路控制系统 (6)
3.2 PID控制算法 (7)
4 双容水箱液位控制系统的硬件设计与软件设计 (9)
4.1 设备选型 (10)
4.2 双容水箱液位控制系统的硬件设计 (16)
4.3 系统程序设计 (21)
5 双容水箱液位控制系统的软件设计 (26)
5.1 在MCGS组态环境下的工程组态流程 (26)
5.2 组态界面设计 (30)
5.3 MCGS和下位机PLC的连接 (35)
结论 (41)
致谢 (41)
参考文献 (42)
1绪论
1.1 课题研究与应用背景
人们生活以及工业生产经常会涉及到水箱液位控制的问题，例如锅炉，食品加工，居民生活用水，污水处理等，在这个过程中仅仅靠人工来调节是远远不够的。为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以就又引入了可编程逻辑控制既PLC。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。
多容水箱液位控制系统是集计算机技术、自动化仪表技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。它的特点包括：结构简单、观察直观、组态灵活等。基于以上的特点在该系统平台可以实施和开发各种相异的控制方案。国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，验证了重要的理论成果和指导生产实践[1]。
组态软件是数据采集与监控系统的专用软件，以灵活多样的组态方式，为用户提供友好的二次开发界面，将高性能的工控计算机和网络技术结合起来，向控制层和管理层提供软件和硬件接口，进行系统集成，其预制的软件模块便于实现工业现场数据采集和系统监控。因此，组态软件是数据信息交流的桥梁，是最基本的数据采集和显示环节，其角色不仅是一个图形显示软件，而且是连接现场数据和企业ERP的基础环节。
1.2 课题研究的意义
人们生活以及工业生产经常涉及到液位和流量的控制问题，例如饮料、食品加工，居民生活用水的供应，溶液过滤，污水处理，化工生产等多种行业的生产加工过程，通常要使用蓄液池。蓄液池中的液位需要维持合适的高度，太满容易溢出造成浪费，过少则无法满足需求。因此，需要设计合适的控制器自动调整蓄液池的进出流量，使得蓄液池内液位保持正常水平，以保证产品的质量和生
产效益。这些不同背景的实际问题都可以简化为某种水箱的液位控制问题。因此液位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，能收到很好的生产效果。
水箱液位控制系统的设计应用非常广泛，可以把一个复杂的液位控制系统简化成一个水箱液位控制系统来实现。现阶段PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，基于PLC 的液位控制有如下六大优势：第一，可靠性高、抗干扰能力强。而且PLC采用了许多硬件和软件抗干扰措施。第二，编程简单、使用方便目前大多数PLC采用继电器控制形式的梯形图编程方式，很容易被操作人员接受。第三，设计安装容易，维护工作量少。第四，适用于恶劣的工业环境，采用封装的方式，适合于各种震动、腐蚀、有毒气体等的应用场合。第五，与外部设备连接方便，采用统一接线方式的可拆装的活动端子排，提供不同的端子功能适合于多种电气规格。第六，功能完善、通用性强、体积小、能耗低、性能价格比高。
所以基于PLC的液位控制系统的发展前景非常宽广！
1.3 课题研究的内容
液位控制系统的发展已经相当不错，不管是工业还是人们的日常生活中，都有着的大量的实际运用，而作为本科毕业生设计一个简单的液位控制系统也是必须具有的能力。设计一个液位控制系统，应当有重点的去设计，而不是去考虑所有东西，顾此失彼这个道理谁都知道，因此通过对任务书的仔细研究，设计的重点为硬件部分和MCGS。其中硬件部分主要是针对PLC的硬件设计和程序设计；上位机MCGS主要的作用就是提供一个监控的组态画面即可。并且在最后还对下位机PLC和上位机MCGS之间的通讯进行了一定的研究。
2 MCGS组态软件
MCGS是一套基于Windows平台的，用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。
MCGS为用户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。
使用MCGS，用户无须具备计算机编程的知识，就可以在短时间内轻而易举地完成一个运行稳定，功能成熟，维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作[2]。
2.1 MCGS组态软件的系统构成
2.1.1 MCGS组态软件的整体结构
MCGS组态软件系统包括组态环境和运行环境两个部分，如图2.1所示。组态环境相当于一套完整的工具软件，帮助用户设计和构造自己的应用系统。运行环境则按照组态环境中构造的组态工程，以用户指定的方式运行，并进行各种处理，完成用户组态设计的目标和功能。
组态环境：组态运行环境：
组态生成结果解释执行
应用系统数据组态结果
图2.1 MCGS组态软件的整体结构
2.1.2 MCGS组态软件五大组成部分
MCGS组态软件所建立的工程由主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库和运行策略五部分构成。如图2.2所示。每一部分分别进行组态操作，完成不同的工作，具有不同的特性。
图2.2 MCGS 组态软件五大组成部分
主控窗口：是工程的主窗口或主框架。在主控窗口中可以放置一个设备窗口和多个用户窗口，负责调度和管理这些窗口的打开或关闭。主要的组态操作包括：定义工程的名称，编制工程菜单，设计封面图形，确定自动启动的窗口，设定动画刷新周期，指定数据库存盘文件名称及存盘时间等。
设备窗口：是连接和驱动外部设备的工作环境。在本窗口内配置数据采集与控制输出设备，注册设备驱动程序，定义连接与驱动设备用的数据变量。 用户窗口：本窗口主要用于设置工程中人机交互的界面，诸如：生成各种动画显示界面、报警输出、数据与曲线图表等。
实时数据库：是工程各个部分的数据交换与处理中心，它将MCGS 工程的各个部分连接成有机的整体。在本窗口内定义不同类型和名称的变量，作为数据采集、处理、输出控制、动画连接及设备驱动的对象。
运行策略：本窗口主要完成工程运行流程的控制。包括编写控制程序（if …then 脚本程序），选用各种功能构件，如：数据提取、历史曲线、定时器、配方操作、多媒体输出等。
2.2 MCGS 组态软件的工作方式
MCGS 如何与设备进行通讯：MCGS 通过设备驱动程序与外部设备进行数据交换。包括数据采集和连接库文件，设备驱动程序中包含符合各种设备通讯协议的运行流程的控制 编写控制程序选用功能构件
定义不同类型和名称的变量 设置工程中人机交互的界面 配置设备 注册设备驱
动程序 定
义数据变量 设备窗口 用户窗口 实时数据库 运行策略 MCGS 工控组态软件 菜单设计
设置工程属
性 主控窗口
处理程序，将设备运行状态的特征数据采集进来或发送出去。
MCGS如何产生动画效果：MCGS为每一种基本图形元素定义了不同的动画属性，如：一个长方形的动画属性有可见度，大小变化，水平移动等，每一种动画属性都会产生一定的动画效果。所谓动画属性，实际上是反映图形大小、颜色、位置、可见度、闪烁性等状态的特征参数。
MCGS如何实施远程多机监控：MCGS提供了一套完善的网络机制，可通过TCP/IP网、Modem网和串口网将多台计算机连接在一起，构成分布式网络监控系统，实现网络间的实时数据同步、历史数据同步和网络事件的快速传递。同时，可利用MCGS提供的网络功能，在工作站上直接对服务器中的数据库进行读写操作。分布式网络监控系统的每一台计算机都要安装一套MCGS工控组态软件。MCGS 把各种网络形式，以父设备构件和子设备构件的形式，供用户调用，并进行工作状态、端口号、工作站地址等属性参数的设置。
如何对工程运行流程实施有效控制：MCGS开辟了专用的“运行策略”窗口，建立用户运行策略。MCGS提供了丰富的功能构件，供用户选用，通过构件配置和属性设置两项组态操作，生成各种功能模块（称为“用户策略”），使系统能够按照设定的顺序和条件，操作实时数据库，实现对动画窗口的任意切换，控制系统的运行流程和设备的工作状态。所有的操作均采用面向对象的直观方式，避免了烦琐的编程工作[5]。
3 双容水箱液位控制系统的方案设计
双容水箱液位控制系统主要由过程控制对象双容上下水箱、电动调节阀、下水箱压力变送器、家用增压泵、PLC和计算机等组成。控制方案以及控制算法多种多样，常用的控制方案为单回路和串级控制；常用的控制算法主要有PID控制、模糊控制和神经网络控制，通过对课题需求的认真研究，从而选择最合适的控制方案算法等[20]。
3.1 单回路控制系统
通过对课题的分析，在设计决定选用简单实用的单回路系统，该系统是指在一个调节对象上用一个调节器来保持参数的衡定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。
单回路控制方块原理图，如图3.1所示；控制系统，如图3.2所示。采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位高度）的恒定控制。当通过一旁的水管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值。下水箱的检测元件压力变送器就会将信号转变为电信号（4-20mA）进入到PLC中，控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器，即电动调节阀。电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，控制水泵出水流量从而调节流进上水箱的水流量，再控制下水箱的液位，从而实现对水位的恒定调节[8]。
设定值干扰（1）干扰（2) 输出 PLC 电动阀上水箱下水箱-
液位变送器
图3.1 单回路控制方块原理图
1V1
上水箱
V4
PLC HT下水箱
V5
电动阀
增压泵1V10 储水箱
图3.2 双容水箱液位控制系统
3.2 PID控制算法
目前，随着控制理论的发展和计算机技术的广泛应用，PID控制技术日趋成熟。先进的PID控制方案和智能PID控制器（仪表）已经很多，并且在工程实际中得到了广泛的应用。现在有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC)，还有可实现PID控制的计算机系统等[11]。
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。PID控制基本原理图，如图3.3所示。
图3.3 PID 控制基本原理图
PID 控制器是一种线性负反馈控制器，根据给定值r(t)与实际值y(t)构成控制偏差：)()()(t y t r t e -=。
PID 控制规律为：
])()(1)([)(0dt
t de Td t e Ti t e Kp t U t ++=? 或以传递函数形式表示：
)11()()()(Tds Tis kp s E s U s G ++==
式中，K P :比例系数 T I :积分时间常数 T D :微分时间常数
PID 控制器各控制规律的作用如下：
（1）比例控制（P ）：比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能较快克服扰动，使系统稳定下来。但当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分控制（I ）：在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称此控制系统是有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差的累积取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会越大。
这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。但是过大的积分速度会降低系统的稳定程度，出现发散的振荡过程。比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
y(t)
+ + r(t)
P
I D 对象
（3）微分控制（D）：在微分控制中，控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。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性环节或有滞后环节，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零[16]。
所以在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。特别对于有较大惯性或滞后环节的被控对象，比例积分控制能改善系统在调节过程中的动态特性[7]。
4 双容水箱液位控制系统的硬件设计与软件设计
双容水箱液位控制系统中的硬件构成主要包括：控制对象水箱，检测元件压力变送器，执行元件电动调节阀，送水的家用增压泵以及最后的控制元件PLC，而这些硬件设备都将进行选型工作，这也是针对本次课题研究的重要的一部分。最后系统通过采用MCGS软件，把指令传给PLC，由PLC对装置进行控制。装置中的各参数返回PLC中，通过读寄存器显示在计算机的界面上[15]。
4.1 设备选型
4.1.1 水箱
水箱是储藏水的容器，根据课题要求，决定采用上下水箱高为41CM的方形水箱即可，选用高联GO-Link水箱。储水箱的作用是为了给泵提供水源，储水箱、泵和水箱构成一个循环使用的系统。
4.1.2 水泵
在整个双容水箱系统中，泵就是用来抽水和送水的，它将储水箱中的抽出，并且送入到上水箱中。水泵的选型需要考虑到介质的特性、温度、流量、压力和扬程等参数。根据课题要求，首先应选择常用的50hz型家用水泵，价格不但便宜，还容易安装；其次，由于系统的介质是水，属于常温状态，同时不易生锈；因为需要从下面的储水箱往上送水，就需要一定的流量，并且扬程应当大于6m以上；最后作为电机元件，那必须要能安静运行，以免影响他人。
通过上述分析，决定采用丹麦格兰富的家用增压水泵，型号为UPA 120 AUTO，该水泵输出功率为250W,电压220V,扬程最大12.5m,流量为3.5吨/小时，频率50HZ，电容6uF,最大承受压力0.6Mpa。其主要特点：
（1）因为该水泵结构紧凑，外形朴实；
（2）体积小巧，仅有5KG；
（3）运行及其可靠，使用维修方便；
（4）泵体经阴极电泳处理，保证水泵不会生锈；
（5）过水部件的材料是不锈钢，保证不污染水质；
（6）采用先进的水润滑技术，保证水泵运行极其安静。
4.1.3 电动调节阀
执行元件:执行单元是1个电动调节阀，是构成自动控制系统不可缺少的重要组成环节，它接受来自PLC输出的信号，并转化成为电动阀的开度以改变上水量的大小，从而控制流入或流出被控制过程的物料或能量，实现过程参数的自动控制[10]。调节阀的选型主要考虑以下几点：
（1）调节阀结构形式的选择
常用的调节阀结构形式有：直通单座阀、直通双座阀、套筒阀、偏心旋转阀、蝶阀、全功能超轻型调节阀、球阀等。应当根据不同的使用情况，结合不同结构形式阀门各自的特点，从调节性能、适用温度、适用口径、耐压、适用介质条件、切断差压、泄流量、压力损失、重量、外观和成本等方面对调节阀的结构形式进行选择。
通过对课题要求的研究，可以知道需要对液位进行控制，所以整个系统环境应当属于泄漏量小的场合，同时还需要有一定的精度；阀前后压差值较小。因此决定使用直通单座的阀结构形式。
（2）调节阀执行机构的选择
执行器按其使用的能源不同可以分为气动、电动和液动三大类。同时按执行机构输出位移的类型，执行机构又分为直行程执行机构和角行程执行机构，直行程执行机构输出直线位移；角行程执行机构输出角位移。
通过对课题内容的研究，可以知道装置实验管路环境无可燃性危险气体，而且希望采用工控机输出4-20mA电流的方式对调节阀的开度值进行控制，要求阀门的开度能够随工控机输出电流的增大而增大，随输出电流的减小而减小。因此决定选用电动执行机构，并使用直行程。
（3）调节阀流量特性的选择
调节阀流量特性分固有特性和工作特性两种。固有特性又称调节阀的结构特性，是由生产厂制造时决定的，其特性曲线的测定是在阀门前后差压保持不变的条件下测定的。但调节阀在工作管路中使用时，由于管路系统阻力分配情况随流量变化，调节阀的前后差压也发生变化，这样就使调节阀的流量特性曲线相对于其固有特性曲线发生了畸变，此时的流量特性即为调节阀的工作流量特性。调节阀常见的流量特性曲线有快开、等百分比、直线三种形式。
通过对课题的研究，需要对阀门开度进行自动或手动的控制，阀门单位开度 变化所引起流量的变化与开度变化前的流量值成正比，而流量相对变化的百分比总是相等的。调节阀的放大系数随阀门开度的增加而增加，在小开度时流量值较小，调节阀放大系数较小，单位开度变化所引起的流量变化量也小，调节平稳缓和；大开度时流量值较大，调节阀放大系数较大，单位开度变化所引起的流量变化量也大，调节灵敏有效。因此选用拥有等百分比流量特性的调节阀即可。
（4）调节阀口径的计算与选择
1 计算流量的确定
根据装置的工作状况，决定调节阀最大计算流量Qmax 和最小计算流量Qmin 。 取原实验管路中稳态的最大流量的1.15～1.5倍作为调节阀的最大计算流量Qmax ；取原实验管路的稳态的最小流量的0.87～0.67倍作为调节阀的最小计算流量Qmin 。
2 计算压差的决定
进行调节阀口径计算时要首先确定最大流量时（调节阀全开）阀前压力与阀后压力的差值?Pv ，即计算差压。
在确定调节阀的计算差压时，可以根据阀阻比S 的值确定计算差压的值。由 阀阻比的计算公式:
1S Pi PvS S
∑??=-
?Pv ：实验管路达到最大流量时调节阀前后的差压值；
Pi ∑?：实验管路到到最大流量时，管路系统的总压降。
3 Kv 值计算
流量系数Kv 的定义为：当调节阀全开，阀两端压差△P 为100KPa ，流体重度r 为lgf/cm(即常温水)时，每小时流经调节阀的流量数，以m3/h 或t/h 计。根据已决定的最大计算流量、计算压差及其它有关参数，求出最大工作流量时的Kvmax 。 当介质为一般液体的Kv 值计算方法:
10L L Kv Q P ρ=?
L Q ：液体流量3m /h ； L ρ：液体密度g/3cm ；
P ?：阀前后压差。
4 初步决定调节阀口径
根据已计算的Kvmax ，在所选用的产品型式系列中，选取大于Kvmax 并与其接近的一档Kv 值，得出口径，一般所选用调节阀口径不应大于所安装管道的口径。 5 开度验算
要求就小流量时，开度值不小于10%；最大流量时，开度值不大于90%。 最大流量开度验算公式（对数特性调节阀）：
1max max 1lg 1.48Kv K Kv
=+ 最小流量开度验算公式（对数特性调节阀）： 1min min 1lg 1.48Kv K Kv =+
式中：Kmax ：阀门最大流量时的开度值；
Kmin ：阀门最小流量时的开度值；
Kvmax ：阀门最大流量时的流量系数；
Kvmin ：阀门最小流量时的流量系数；
Kv ：阀门的额定流量系数。
6 实际可调比验算
调节阀在实际运行中，受工作特性的影响，S 值越小，最大流量相应减小。同时工作开度也不是从0至全开，而是在10％～90％左右的开度范围内工作，使实际可调比进一步下降。一般希望调节阀的实际可调比能够满足装置实验流量调节的要求。调节阀实际可调比的验算公式为:
Rr R S =
式中：Rr ：调节阀实际可调比；
S ：调节阀的压降比；
R ：调节阀的理想可调比。
7 阀门口径的确定
通过对课题实验对象数值的估计计算、开度、可调比、差压均验算合格之后，
即可确定调节阀的口径值，决定选用公称通径为20mm的调节阀，足够满足实验要求。
通过上述分析，最终决定选用QS智能型电动调节阀（电开式），型号是QSTP-16K。阀体结构为直通单座阀，选用PSL智能型直行程电动执行机构，其公称压力1.6MPA，公称通径20mm,介质温度-40°- +200°，行程16mm，Kv值为6.9。
电动调节阀接受4～20mA控制信号，改变阀门的开度，同时将阀门开度的隔离信号反馈给控制系统，实现对压力、流量、液位等参数的调节。其主要特点：（1）配用PSL智能型直行程电动执行器，体积小、规格全、重量轻、推力大、操作方便，无调整电位器，可靠性高、噪声小；
（2）PSL电动执行器采用—体化结构设计，具有自诊断功能，使用和调校十分方便；
（3）PSL智能型电动执行机构功能：带断控制信号故障判断、报警及保护功能。即断信号时可使执行机构或开；或关；或保持；或在0～100％之间予置的任意位置。及带阀门堵转故障判断、报警及保护功能；
（4）TP系列采用顶端导向，单座密封结构。与其它同类调节阀相比，具有结构简单、额定流量系数大，阀座泄露量小等突出优点。另外，带有软密封结构的TP系列既有调节功能又有切断功能，是一种调节切断型的调节阀，也可作切断阀用[14]。
4.1.4 压力变送器
因为需要对液位进行监控，检测元件是必有的，因此首先决定选用变送器作为系统的检测元件。变送器的选型主要考虑以下几点：
（1）变送器测量的压力范围
先确定系统中测量压力的最大值，一般而言需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器。这主要是在许多系统中，尤其是水压测量和加工处理中，有峰值和持续不规则的上下波动，这种瞬间的峰值能破坏压力传感器。持续的高压力值或稍微超出变送器的标定最大值会缩短传感器的寿命，这样做还会使精度下降。于是可以用一个缓冲器来降低压力毛刺，但这样会降低传感器的响应速度。所以在选择变送器时要充分考虑压力范围、精度与其稳定性。
通过对课题要求研究，可以假设水箱高度为41CM，其压力值也就几KPA，根
据大于1.5倍量程的原则，确定变送器的量程范围将低于0.5mpa;精度范围0.0-1.0%；同时具有一定的稳定性。
（2）压力介质
黏性液体、泥浆会堵上压力接口，溶剂或有腐蚀性的物质会不会破坏变送器中与这些介质直接接触的材料。以上这些因素将决定是否选择直接的隔离膜及直接与介质接触的材料。
液位控制的介质比如就是普通的水，所以采用拥有不锈钢防腐蚀结构体的变送器即可。
（3）变送器的温度范围
通常一个变送器会标定两个温确段，其中一个温度段是正常工作温度，另外一个是温度补偿范围，正常工作温度范围是指变送器在工作状态下不被破坏的时候的温度范围，在超出温度补偿范围时可能会达不到其应用的性能指标。
（4）输出信号
mV、V、mA及频率输出数字输出，选择怎样的输出取决于多种因素，包括变送器与系统控制器或显示器间的距离，是否存在“噪声”或其他电子干扰信号，是否需要放大器，放大器的位置等。对于许多变送器和控制器间距离较短的OEM 设备采用mA输出的变送器最为经济而有效的解决方法。
如果需要将输出信号放大，最好采用具有内置放大的变送器。对于远距离传输或存在较强的电子干扰信号最好采用mA级输出或频率输出。
如果在RFI或EMI指标很高的环境中除了要注意到要选择mA或频率输出外还要考虑到特殊的保护或过滤器。
根据课题要求，变送器把液位信号转化成4-20mA的电信号，因此选用的变送器输出为4-20mA。
（5）稳定性
变送器超时工作后需要保持稳定度，大部分变送器在经过超额工作后会产生“漂移”，因此很有必要在购买前了解变送器的稳定性，这种预先的工作能减少将来使用中会出现的种种麻烦。根据变送器的参数介绍，选择高稳定性的变送器为先。
通过上述分析，决定选用KYB系列的压力变送器，信号为KYB 18G，是一种扩散硅式压力变送器。其测量量程为0-0.5mpa，精度±1.0%，供电24VDC，输出4-20mADC。KYB 18G采用不锈钢防腐蚀结构体，适用于一般性液体和气体的压力测量。可用于自来水、石油传输、化工过程，以及各种系统压力测量，以达到计量、控制、报警、调度、节能等目的。其主要特点：
（1）结构小巧、安装方便，可直接安装，也可采用支架安装；
（2）先进的膜片/充油隔离技术；
（3）高稳定性、高可靠性；
（4）耐震，抗射频干扰；
（5）一体化接线盒：所有电气接线都直接与变送器外壳的现场端子腔室相连。从而消除了安装中间接线盒所带来的费用和麻烦[18]。
4.2 双容水箱液位控制系统的硬件设计
根据课题研究，控制元件决定选用西门子S7-200系列PLC。S7-200系列PLC 是一类可编程逻辑控制器，由于具有紧凑的设计、良好的扩展性、低廉的价格以及强大的指令，使得S7-200可以近乎完美地满足小规模的控制要求。本章将重点描述PLC的硬件选型和程序设计，由于通讯部分的设计涉及到其它内容，将在下一章阐述[9]。
4.2.1 分析系统的控制要求
控制元件在确定选用S7-200型PLC后，还要进一步的确定PLC真正的控制范围，正常情况下来说，能够反映生产过程的运行情况，能用变送器进行直接测量的参数，控制逻辑复杂的内容全部由PLC去完成实现控制要求。通过对任务书的仔细分析，我们可以清楚的知道系统的基本要求是：
（1）基于PLC和MCGS设计液位控制系统；
（2）当液位低于设定的下限值时，系统自动打开泵上水；
（3）当水位到达设定值时，系统自动关闭水泵；
4.2.2 I/O点及地址分配
输入/输出信号于PLC上的地址分配是进行PLC控制系统设计的根基。对于PLC程序的设计来说，只有当I/O地址分配后才能完成软件的编程；同时只有当I/O确定之后，才能完成主电路图、控制电路图、外围接线图等的绘制；正确的
内蒙古科技大学 控制系统仿真课程设计说明书 题目：双容水箱液位控制系统 仿真 学生姓名：任志江 学号：1067112104 专业：测控技术与仪器 班级：测控 10-1班 指导教师：梁丽
摘要 随着工业生产的飞速发展，人们对生产过程的自动化控制水平、工业产品和服务产品质量的要求也越来高。每一个先进、实用控制算法和监测算法的出现都对工业生产具有积极有效的推动作用。然而，当前的学术研究成果与实际生产应用技术水平并不是同步的，通常情况下实际生产中大规模应用的算法要比理论方面的研究滞后几年，甚至有的时候这种滞后相差几十年。这是目前控制领域所面临的最大问题，究其根源主要在于理论研究尚缺乏实际背景的支持，一旦应用于现场就会遇到各种各样的实际问题，制约了其应用。本设计设计的课题是双容水箱的PID液位控制系统的仿真。在设计中，主要针对双容水箱进行了研究和仿真。本文的主要内容包括：对水箱的特性确定与实验曲线分析，通过实验法建立了液位控制系统的水箱数学模型，设计出了控制系统，针对所选液位控制系统选择合适的PID算法。用MATLAB/Simulink建立液位控制系统，调节器采用PID控制系统。通过仿真参数整定及各个参数的控制性能，对所得到的仿真曲线进行分析，总结了参数变化对系统性能的影响。 关键词：MATLAB；PID控制；液位系统仿真
目录 第一章控制系统仿真概述 (2) 1.1 控制系统计算机仿真 (2) 1.2 控制系统的MATLAB计算与仿真 (2) 第二章 PID控制简介及其整定方法 (6) 2.1 PID控制简介 (6) 2.1.1 PID控制原理 (6) 2.1.2 PID控制算法 (7) 2.2 PID 调节的各个环节及其调节过程 (8) 2.2.1 比例控制与其调节过程 (8) 2.2.2 比例积分调节 (9) 2.2.3 比例积分微分调节 (10) 2.3 PID控制的特点 (10) 2.4 PID参数整定方法 (11) 第三章双容水箱液位控制系统设计 (12) 3.1双容水箱结构 (12) 3.2系统分析 (12) 3.3双容水箱液位控制系统设计 (15) 3.3.1双容水箱液位控制系统的simulink仿真图 (15) 3.3.2双容水箱液位控制系统的simulink仿真波形 (16) 第四章课程设计总结 (17)
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，工艺要求贮槽的液位需维持在给定值上下，或在某一小围变化，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 Abstract: 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 to guarantee the process of the production. So, the process requires that the 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
过程控制系统实验报告 专业 ****** 班级 ****** 学生 ****** 学号 ******
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在120cm，稳态误差±0.4cm，满足生产要求。G(s)=1/(s^3+10s^2+29s+20),σ%<20%,Ts<10s,Ess=0. 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动 态性能指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
目录 第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理 1了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-------------------------------------------3 1.1锅炉汽包水位自动控制的意义--------------------------------------------------3 1.2了解锅炉生产蒸汽工艺及其工作流程-----------------------------------------3 第二章锅炉汽包水位控制系统方案的设计 2.1液位控制系统的方框图------------------------------------------------------------5 2.2液位控制系统的方案图------------------------------------------------------------5 2.3检测变送器的选择------------------------------------------------------------------6 2.4调节阀的选择------------------------------------------------------------------------6 2.5仪器性能指标的计算---------------------------------------------------------------6 2.6调节器的选择------------------------------------------------------------------------8 2.7调节器作用方向的选择------------------------------------------------------------8 第三章PID控制 3.1控制规律的比较--------------------------------------------------------------------9 3.2 PID参数的整定--------------------------------------------------------------------10 第四章仿真 4.1 simulink 仿真---------------------------------------------------------------------11 4.2 系统参数整定--------------------------------------------------------------------13 第五章心得体会-----------------------------------------------------------15
XXXX大学 电子信息工程学院 专业硕士学位研究生综合实验报告 实验名称：双容水箱液位定值控制系统专业：控制工程 姓名： XXX 学号：XXXXXX 指导教师： XXX 完成时间：XXXXX
实验名称：双容水箱液位定值控制系统 实验目的： 1．通过实验进一步了解双容水箱液位的特性。 2．掌握双容水箱液位控制系统调节器参数的整定与投运方法。 3．研究调节器相关参数的改变对系统动态性能的影响。 4．研究P、PI、PD和PID四种调节器分别对液位系统的控制作用。 5．掌握双容液位定值控制系统采用不同控制方案的实现过程。 实验仪器设备： 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI通讯电缆一根。 实验原理： 本实验以中水箱与下水箱串联作为被控对象，下水箱的液位高度为系统的被控制量。要求下水箱液位稳定至给定量，将压力传感器LT2检测到的中水箱液位信号作为反馈信号，在与给定量比较后的差值通过调节器控制电动调节阀的开度，以达到控制下水箱液位的目的。为了实现系统在阶跃给定和阶跃扰动作用下的无静差控制，系统的调节器应为PI或PID控制。调节器的参数整定可采用本章第一节所述任意一种整定方法。本实验系统结构图和方框图如图所示。
摘要 汽包水位是影响锅炉安全运行的一个重要参数，汽包水位过高或者过低的后果都非常严重，因此对汽包水位必须进行严格控制。PLC技术的快速发展使得PLC 广泛应用于过程控制领域并极提高了控制系统性能，PLC已经成为当今自动控制领域不可缺少的重要设备。 本文从分析影响汽包水位的各种因素出发，重点分析了锅炉汽包水位的“假水位现象”，提出了锅炉汽包水位控制系统的三冲量控制方案。按照工程整定的方法进行了PID参数整定，并进行了仿真研究。根据控制要求和所设计的控制方案进行硬件选型以及系统的硬件设计，利用PLC编程实现控制算法进行系统的软件设计，最终完成PLC在锅炉汽包水位控制系统中应用。 关键词：汽包水位、三冲量控制、PLC、PID控制
ABSTRACT The steam drum water level is a very important parameter for the boiler safe operation, both high and low steam drum water level may lead to extremely serious consequence; therefore it must be strictly to be controlled. With the rapid development of PLC technology, it can widely be applied to the process control domain and enhances the performance of control system enormously. PLC has already become the essential important equipment in automatic control domain. Based on the analysis of all kinds of factors which influence steam drum water level, “unreal water level phenomenon”is analyzed specially, and three impulses control plan for steam drum water level control system is proposed. PID parameters are regulated by engineering regulation method, and simulation study is done. According to the needs of control, the selection of control requirements hardware and system hardware design as well as system software design are carried out. Finally the application of PLC in boiler steam drum water control system is completed. Key words:Steam drum water level、Three impulses control、PLC、PID control
DCS实训报告双容水箱液位串级控制系统
一、实训目的 （1）、熟悉集散控制系统（DCS）的组成。 （2）、掌握MACS组态软件的使用方法。 （3）、培养灵活组态的能力。 （4）、掌握系统组态与装置调试的技能。 二、实训内容及要求 以THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置为工业对象。完成中水箱和下水箱串级液位控制系统的组态。 要求：设计液位串级控制系统，并用MACS组态软件完成组态。 包括：（1）、数据库组态。 （2）、设备组态。 （3）、算法组态。 （4）、画面组态。 （5）、在实验装置上进行系统调试。 三、工程分析 THSA-1型生产过程自动化技术综合实训装置中水箱和下水箱串级液位控制系统需要2个输入测量信号，1个输出控制信号。 因此,该系统包括： （1）、该系统有2个AI点LT1、LT2，1个AO点LV1。 （2）、该系统需要1个模拟量输入模块FM148用于采集中水箱液位信号LT1和下水箱液位信号LT2;1个模拟量输出模块
FM151用于控制电动控制阀的开度LV1。并且FM148的设备号为2号，FM151的设备号为3号。 （3）、LT1按2号设备的第1通道，LT2按2号设备的第2通道。LV1按3号设备的第1通道。 （4）、系统配备1个现场控制站10站，1台服务器兼操作员站。 四、实训步骤 1、工程的建立 （1）、打开：开始macsv组态软件数据库总控。（2）、选择工程/新建工程，新建工程并输入工程名；Demo。（3）、点击“确定”按钮，然后在空白处选择“demo”工程。工程信息如下图所示： （4）、选择“编辑>域组号组态”，选择组号为1，将刚创建的工程“demo”从“未分组的域”移到右边“改组所包含的域”里，点击“确认”按钮。然后，在数据库总控组态软件窗口会出现当前工程名、当前域号、该域分组号、系统总点数。 （5）、数据库组态。
过程控制系统课程设计基于组态软件单容水箱过程控制系统 姓名： 学号： 班级： 专业： 指导教师：
目录 1 设计目的与要求 (1) 1.1 设计目的 (1) 1.2 设计要求 (1) 2 系统结构设计 (1) 2.1 控制方案 (1) 2.2 系统结构 (2) 3 过程仪表选择 (2) 3.1 液位传感器 (2) 3.2 电磁流量传感器 (3) 3.3 电动调节阀 (3) 3.4 水泵 (3) 3.5 变频器 (4) 3.6 模块选择 (4) 4 系统组态设计 (4) 4.1工艺流程图与系统组态图设计 (5) 4.2 组态画面 (5) 4.3 数据字典 (6) 4.4 应用程序 (6) 4.5 动画连接..................................... 错误！未定义书签。总结. (12) 参考文献 (12) 附录A 单回路控制系统PID控制算法 (13) 附录B PID控制算法流程图 (13)
1. 设计目的与要求 1.1 设计目的 通过组态软件，结合实验已有设备，按照定值系统的控制要求，根据较快较稳的性能要求，采用但闭环控制结构和PID控制规律，设计一个具有美观组态画面和较完善组态控制程序的液位单回路过程控制系统。 1.2 设计要求 (1) 根据液位单回路过程控制系统的具体对象和控制要求，独立设计控制方案，正确选用过程仪表。 (2) 根据液位单回路过程控制系统A/D、D/A和开关I/O的需要，正确选用过程模块。 (3) 根据与计算机串行通讯的需要，正确选用RS485/RS232转换与通讯模块。 (4) 运用组态软件，正确设计液位但回路过程控制系统的组态图、组态画面和组态控制程序。 (5) 提交包括上述内容的课程设计报告。 2. 系统结构设计 2.1 控制方案 整个过程控制系统由控制器、调节器、测量变送、被控对象组成。在本次控制系统中控制器为计算机，采用算法为PID控制规律（见附录A和附录B），调节器为电磁阀，测量变送为HB、FT两个组成，被控对象为流量PV。结构组成如下图2.2所示。 当系统启动后，水泵开始抽水，通过管道将水送到上水箱，由HB返回信号，是否还需要抽水到水箱。若还需要（即水位过低），则通过电磁阀控制流量的大小，加大流量，从而使下水箱水位达到合适位置；若不需要（即水位过高或刚好
2.水箱水位控制系统 系统有3个贮水箱，每个水箱有2个液位传感器，UH1，UH2，UH3为高液位传感器，“1”有效；UL1，UL2，UL3为低液位传感器，“0”有效。Y1、Y3、Y5分别为3个贮水水箱进水电磁阀；Y2、Y4、Y6分别为3个贮水水箱放水电磁阀。SB1、SB3、SB5分别为3个贮水水箱放水电磁阀手动开启按钮；SB2、SB4、SB6分别为3个贮水箱放水电磁阀手动关闭按钮。 （二）控制要求 1.上电运行时系统处于停止状态。 2.SB1、SB3、SB5在PLC外部操作设定，通过人为的方式，按随机的顺序将水箱放空。 3.只要检测到水箱“空”的信号，系统就自动地向水箱注水，直到检测到水箱“满”信号为止。水箱注水的顺序要与水箱放空的顺序相同，每次只能对一个水箱进行注水操作。 4.为减少外部控制器件，现将每个水箱的放水控制按钮改为一个（即只有SB1、SB3、SB5），分别控制每个水箱的放水开启和关闭。也即，按一下SB1，水箱1放水，再按一下SB1，水箱1停止放水；按一下SB2，水箱2放水，再按一下SB2，水箱2停止放水；按一下SB3，水箱3放水，再按一下SB3，水箱3停止放水。系统其它控制要求保持不变。 （三）I/O配置表
（四）PLC控制系统原理图（硬件电路图） （五）调试指南 1.上电时候系统处于停止状态，所有灯不亮。 2.按动SB1、SB3、SB5按钮，可随机将三个水箱放空，对应Y2、Y4、Y6的亮。 3.只要检测到水箱“空”（即低液位传感器UL1-UL3亮），系统能自动地向水箱注水，对应Y1、Y3、Y5亮，直到检测到水箱“满”信号为止（即高液位传感器UH1-UH3亮）。 4.4.水箱注水的顺序与水箱放空的顺序相同，每次只对一个水箱进行注水操作（Y1、Y3、Y5互锁）。 5.5.按一下SB1，水箱1放水（Y2亮），再按一下SB1，水箱1停止放水（Y2灭）； 6.6.按一下SB2，水箱2放水（Y4亮），再按一下SB2，水箱2停止放水（Y4灭）； 7.7.按一下SB3，水箱3放水（Y6亮），再按一下SB3，水箱3停止放水（Y6灭）。 8.8.先放空的水箱先进水，已通过梯形图实现。（参见梯形图步骤8）
双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计题目 双容水箱液位流量串级控制系统设计 ◆设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱1 水箱2 图1 系统示意图◆设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计单回路PID 调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID 参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID 控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 ◆设计任务分析
一、系统建模 系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种建模方法。 机理法建模就是根据生产过程中实际发生的变化机理，写出各种有关的平衡方程，从中获得所需的数学模型 测试法一般只用于建立输入—输出模型。它是根据工业过程的输入和输出的实测数据进行某种数学处理后得到的模型。它的特点是把研究的工业过程视为一个黑匣子，完全从外特性上测试和描述它的动态性质。 对于本设计而言，由于双容水箱的各个环节的数学模型已知，故采用机理法建模。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：水箱2液位； 主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1, 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1。 控制对象特性： Gm1（S ）=1/（0.1S+1）（水箱1传递函数）； Gm2（S ）=1/（0.1S+1）（水箱2传递函数）。 控制器：PID ； 执行器：流量控制阀门；
组态软件课程设计报告书题目：双容水箱液位监控系统组态
一、课程设计目的 组态综合练习态是一项综合性的专业实践活动，目的是让学生将所学的基础理论和专业知识运用到具体的工程实践中，以培养学生综合运用知识能力、实际动手能力和工程实践能力，为此后的毕业设计打下良好的基础 二、课程设计任务 本课程设计要求在修完《监控系统程序设计技术》课程后，运用工业监控系统组态软件（MCGS ），结合一个双容水箱液位监控系统，完成该控制系统的上位机监控系统组态设计。 三、课程设计要求 1．基本要求 （1）监控系统总体设计：了解系统设计要求，进行需求分析，确定组态软件输入输出点、内部变量等，构思监控系统的组态框架。 （2）实时数据库组态：根据所确定的输入输出点和内部变量点，建立监控系统实时数据库。 （3）虚拟对象组态设计：采用脚本语言或其他软件工具建立虚拟对象模型，能够仿真实际的物理对象，具有输入输出特性。 （4）窗口界面组态：根据系统需求和实际生产过程中的对象工艺流程，设计监控系统的图形操作界面，并同实时数据库IO 点链接。 （5）运行策略组态：采用脚本语言建立监控系统的运行策略，控制所建立的软件系统的运行流程。 （6）控制策略组态设计：选择和设计适当的控制算法并组态，实现对被控系统的控制要求。 （7）历史和趋势记录报表设计：建立历史数据库，实现监控系统的历史数据记录和趋势显示。 （8）实时和历史报警记录报表设计：确定和建立参数的报警限值和报警数据存储特性，实现监控系统的实时报警显示和历史报警数据查询。 （9）主控窗口组态：通过系统菜单能对系统各个功能进行调度管理。 （10）安全策略组态：建立监控系统的安全操作机制，对用户设定不同的操作权限，保证监控系统的安全性。 （11）进行监控系统的调试、运行和改进。 （12）编写课程设计报告。 2．具体要求 （1）数据变量 所选课题系统应具有一定数量的开关量I/O 信号（至少6 个）和模拟量I/O 信号（至少4 个）。 （2）监控系统画面 所设计的监控系统画面应包括下列内容，并具有动态显示和操作功能。 ①系统封面；
摘要 本次毕业设计的课题是基于PLC的液位控制系统的设计。在设计中，笔者主要负责的是数学模型的建立和控制算法的设计，因此在论文中设计用到的PID算法提到得较多，PLC方面的知识较少。 本文的主要内容包括：PLC的产生和定义、过程控制的发展、水箱的特性确定与实验曲线分析， FX2系列可编程控制器的硬件掌握，PID参数的整定及各个参数的控制性能的比较，应用PID控制算法所得到的实验曲线分析，整个系统各个部分的介绍和讲解PLC的过程控制指令PID指令来控制水箱水位。 关键词：FX2系列PLC，控制对象特性，PID控制算法，扩充临界比例法，PID指令，实验。 The liquid level control system based on PLC ABSTRACT The subject of graduation design is based on PLC, liquid level control system design. In the design, the author is mainly responsible for the mathematical model and control algorithm design, so the design used in the paper referred to was more PID algorithm, PLC in less knowledge. Main contents of this article: PLC creation and definition, process control, development, and water tanks and experiment to determine the characteristics curve analysis, FX2 series PLC hardware control, PID tuning parameters and various parameters of the control performance comparison, the application PID control algorithm obtained experimental curve analysis, the entire system, introduce and explain the various parts of the PLC process control commands to control the tank level PID instruction. Keywords：FX2 series PLC, the control object characteristics, PID control algorithm, to expand the critical proportion method, PID instruction, experimental.
西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书 专业班级： 自动化1002 学生姓名： 马千云 指导教师（签名）： 一、课程设计（论文）题目 锅炉汽包液位控制 二、本次课程设计（论文）应达到的目的 本次课程设计是自动化专业学生在学习了《计算机控制技术与系统》和《过程控 制及仪表》两门专业必修课程及《单片机原理与应用》、《可编程控制器》等相关专业 选修课程之后进行的一次全面的综合训练，其主要目的是加深学生对计算机控制技术 相关理论和知识的理解，进一步熟悉计算机控制系统工程设计的基本理论、方法和技 能；掌握工程应用的基本内容和要求，整合各专业课程的理论知识和方法，做到理论 联系实际；培养学生分析问题、解决问题的能力和独立完成系统设计的能力，并按要 求编写相关的设计说明书、技术文档和总结报告等。 三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术 参数、设计要求等） 锅炉汽包液位的阶跃响应曲线数据如下表所示，控制量阶跃变化5u ?=。试根据 实验数据设计一个超调量 25%p δ≤的无差控制系统。 具体要求如下： （1） 根据实验数据选择一定的辨识方法建立对象的数学模型； （2） 根据辨识结果设计符合要求的控制系统（控制系统原理图、控制规律选择等）； （3） 根据设计方案选择相应的控制仪表；
对设计的控制系统进行仿真，整定运行参数。 （4）撰写课程设计报告一份，要求字数3000～5000字。 四、应收集的资料及主要参考文献： 1．王再英等.过程控制系统与仪表.机械工业出版社,2006 2．潘新民,王燕芳.微型计算机控制技术.高等教育出版社,2001 3．王锦标.计算机控制系统.清华大学出版社,2008 五、审核批准意见 教研室主任（签字） 摘要 锅炉是典型的复杂热工系统，目前，中国各种类型的锅炉有几十万台，由于设备分散、管理不善或技术原因，使多数锅炉难以处于良好工况，增加了锅炉的燃料消耗，降低了效率。锅炉的建模与控制问题一直是人们关注的焦点，而汽包水位是工锅炉安全、稳定运行的重要指标，保证水位控制在给定范围内，对于高蒸汽品质、减少设备损耗和运行损耗、确保整个网络安全运行具有要意义。 锅炉汽包水位高度，是确保安全生产和提供优质蒸汽的重要参数，对现代工业生产来说尤其是这样。因为现代锅炉的特点之一就是蒸发量显著提高，汽包容积相对变小，水位变化速度很快，稍不注意就容易造成汽包满水或者烧成干锅。在现代锅炉操作中，即使是缺水事故，也是非常危险的，这是因为水位过低，就会影响自然循环的正常进行，严重时会使个别上水管形成自由水面，产生流动停滞，致使金属管壁局部过热而爆管。无论满水或缺水都会造成事故，因此，必须严格
本科毕业论文(设计) 题目：基于组态王6.5的串级PID液位控制系统设计学院：自动化工程学院 专业：自动化 姓名： ### 指导教师： ### 2011年 6 月 5 日
Cascade level PID control system based on Kingview 6.5
摘要 开发经济实用的教学实验装置、开拓理论联系实际的实验容，对提高课程教学实验水平，具有重要的实际意义。 就高校学生的实验课程来讲，由于双容水箱液位控制系统本身具有的复杂性和对实时性的高要求，使得在该系统上实现基于不同控制策略的实验容，需要全面掌握自动控制理论及相关知识。 本文通过对当前国外液位控制系统现状的研究，选取了PID控制、串级PID控制等策略对实验系统进行实时控制；通过对实验系统结构的研究，建立了单容水箱和双容水箱实验系统的数学模型，并对系统的参数进行了辨识；利用工业控制软件组态王6.5，并可通用于ADAM模块及板卡等的实现方案，通过多种控制模块在该实验装置上实验实现，验证了实验系统具有良好的扩展性和开放性。 关键词：双容水箱液位控制系统串级PID控制算法组态王6.5 智能调节仪 Abstract It is significant to develop applied experiment device and experiment content which combines theory and practice to improve experimental level of teaching. Based on the current situation of domestic and international level control system, selected the PID control, cascade PID control strategies such as
毕业设计开题报告 题目：基于MCGS的双容水箱液位监控系统设计学生姓名：学号： 专业：测控技术与仪器 指导教师： 2014年04月23日
1．文献综述 1.1 液位控制系统的研究与应用背景及现状 人们生活以及工业生产经常会涉及到水箱液位控制的问题，例如锅炉，食品加工，居民生活用水，污水处理等，在这个过程中仅仅靠人工来调节是远远不够的。为了解决人工控制的控制准度低、控制速度慢、灵敏度低等一系列问题。从而现在就引入了工业生产的自动化控制。在自动化控制的工业生产过程中，一个很重要的控制参数就是液位。一个系统的液位是否稳定，直接影响到了工业生产的安全与否、生产效率的高低、能源是否能够得到合理的利用等一系列重要的问题。随着现在工业控制的要求越来越高，一般的自动化控制已经也不能够满足工业生产控制的需求，所以就又引入了可编程逻辑控制既PLC。引入PLC使控制方式更加的集中、有效、更加的及时。 多容水箱液位控制系统是集计算机技术、自动化仪表技术、通信技术、自动控制技术为一体的多功能实验装置。它的特点包括：结构简单、观察直观、组态灵活等。基于以上的特点在该系统平台可以实施和开发各种相异的控制方案。国内外许多学者和工程技术人员基于该类装置做出了重要的研究报告，验证了重要的理论成果和指导生产实践[7]。 1.3 双容水箱液位控制系统的工作原理 控制系统如图１所示，采用单回路控制系统，实现对水箱液位（下水箱的液位H）的恒定控制。当通过一旁通管道往上水箱注水或下水箱注水时，即给系统加入了干扰1或干扰2。此时，下水箱的水位就会增加，从而偏离给定值（设定为15cm)。液位检测变送器将信号转变为电信号（4-20mA）送入PLC中。控制器PLC通过内部A/D模块将模拟信号转换为数字信号,再经过内部PID运算,输出模拟控制信号给电动执行器。电动执行器在PLC的输出信号控制下，改变阀门的开度，从而调节流进上水箱的水流量，实现对水位的恒定调节，双容水箱液位控制的方块原理图如图2所示[1]。
过程控制系统实验报告 专业 xxxxxx 班级 xxxxxxxxx 学生 xxxxxx 学号 xxxxxxxx
锅炉汽包水位控制系统设计 一、控制要求 设计一个汽包水位控制系统，使汽包水位维持在90CM，稳态误差±0,5CM，以满足生产要求。 二、完成的主要任务 1.掌控锅炉生产蒸汽工及其工作流程 2.对被控对象进行特性分析，画出汽包水位控制系统方框图和流程图 3.选择被控参数和被控变量，说明其选择依据 4.设计控制系统方案，如何选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 5.说明单回路控制系统4个环节的工作形式对控制过程 6.对控制进行PID控制说明其参数整定理论 7.对锅炉汽包水位进行simulink仿真，对参数进行整定，其仿真图要满足动态性能 指标 8.总结实验课程设计的经验和收获
过程控制系统实验报告............................... - 0 -第一章锅炉汽包水位控制系统的组成原理............ - 3 - 1.1概述............................................ - 3 - 1.2锅炉生产蒸汽工艺简述 ............................ - 3 - 1.3锅炉生产蒸汽工作流程 ............................ - 4 - ............... - 5 - 2.1 对被控对象进行特性分析 ............................ - 5 - 2.2汽包水位控制系统方框图和流程图..................... - 5 - 2.2.1液位控制系统的方框图.................................. - 5 - 2.2.2液位控制系统的方案图.................................. - 6 - 2.3选择被控参数和被控变量............................. - 6 - 2.4选择检测仪表，说明其选择原则和仪表性能指标 ......... - 7 - 2.4.1传感器、变送器选择 ..................................... - 7 - 2.4.2执行器的选择........................................... - 8 - 2.4.3关于给水调节阀的气开气关的选择。 ....................... - 8 - 2.4.4 关于给水调节阀型号的选择。............................. - 8 - 2.4.5 给水流量蒸汽流量..................................... - 8 - 2.5 四个环节的工作形式对控制过程............................... - 8 - ................................... - 10 - 3.1对控制进行PID控制.......................................... - 10 - ........................................... - 11 -
题目：双容水箱液位流量串级控制系统设计1.设计任务 如图1所示的两个大容量水箱。要求水箱2水位稳定在一定高度，水流量经常波动，作为扰动量存在。试针对该双容水箱系统设计一个液位流量串级控制方案。 水箱2 图1 系统示意图 2.设计要求 1）已知主被控对象（水箱2水位）传递函数W1=1/(100s+1), 副被控对象（流量）传递函数W2=1/(10s+1)。 2）假设液位传感器传递函数为Gm1=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计单回路PID调节器，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出PID参数整定的方法与结果； 3）假设流量传感器传递函数为Gm2=1/(0.1s+1)，针对该水箱工作过程设计液位/流量串级控制系统，要求画出控制系统方框图及实施方案图，并给出主、副控制器的结构、参数整定方法及结果； 4）在进口水管流量出现阶跃扰动的情况下，分别对单回路PID控制与串级控制进行仿真试验结果比较，并说明原因。 3. 设计任务分析 （1）液位控制系统是以改变进水大小作为控制手段，目的是控制下水箱液位处于一个稳定值。 （2）单回路控制系统：对于此系统，若采用单回路控制系统控制液位，以液 位主控制信号反馈到控制器PID，直接去控制进水阀门开度，在无扰动情况下可以采用，但对于有扰动情况，由于控制过程的延迟，会导致控制不及时，造成超调量变大，稳定性下降，控制系统很难获得满意效果
（3）串级控制系统采用两套回路，其中内回路起粗调作用，外回路用来完成细调作用。对液位控制系统，内回路以流量作为前导信号控制进水阀开度，在有扰动情况下可以提早反应消除扰动引起的波动，从而使主控对象不受干扰，另外内回路的给定值受外回路控制器的影响，根据改变更改给定值，从而保证负荷扰动时，仍能使系统满足要求 1 ()T s G 2()T s G --主副控制器的传递函数 ()u s G --控制阀的传递函数 ()z s G --执行器的传递函数 1 2()()m m s s G G --主副变送器传递函数 01 ()s G 02()s G --主副对象的传递函数 4．单回路PID 控制的设计 （1）无干扰下的单回路PID 仿真方框图
双容水箱液位串级控制系统课程设计 1. 设计题目 双容水箱液位串级控制系统设计 2. 设计任务 图1所示双容水箱液位系统，由水泵1、2分别通过支路1、2向上水箱注水, 在支路一中设置调节阀，为保持下水箱液位恒定，支路二则通过变频器对下水箱 液位施加干扰。试设计串级控制系统以维持下水箱液位的恒定。 3. 设计要求 1）已知上下水箱的传递函数分别为: 要求画出双容水箱液位系统方框图，并分别对系统在有、无干扰作用下的动态过 程进行仿真（假设干扰为在系统单位阶跃给定下投运 10s 后施加的均值为0、方 差为0.01的白噪声）； 2） 针对双容水箱液位系统设计单回路控制， 要求画出控制系统方框图，并分别 对控制系统在有、无干扰作用下的动态过程进行仿真，其中 PID 参数的整定要 求写出整定的依据（选择何种整定方法， P 、I 、D 各参数整定的依据如何），对 仿真结果进行评述； 3） 针对该受扰的液位系统设计串级控制方案，要求画出控制系统方框图及实施 方案图，对控制系统的动态过程进行仿真，并对仿真结果进行评述。 4. 设计任务分析 G PI (S) H(S) U I (S) 2 5s 1 G p2(s"辿廻 p2 Q(S) = H 2(S) 1 ■ H 1(s) ^ 20s 1 1 图1双容水箱液位控制系统示意图
系统建模基本方法有机理法建模和测试法建模两种， 机理法建模主要用于生产过程的机 理已经被人们充分掌握， 并且可以比较确切的加以数学描述的情况； 测试法建模是根据工业 过程的实际情况对其输入输出进行某些数学处理得到，测试法建模一般较机理法建模简单， 特别是在一些高阶的工业生产对象。 对于本设计而言，由于双容水箱的数学模型已知， 故采 用机理建模法。 在该液位控制系统中，建模参数如下： 控制量：水流量Q ； 被控量：下水箱液位； 控制对象特性： G PI （S ）= 凹（上水箱传递函数）； -U 1（S ） 5s 1 H 2(s) .?H 2(s) 1 . Q 2(S)- H 1(S) ^ 20s 1 控制器：PID ； 执行器：控制阀； 干扰信号：在系统单位阶跃给定下运行 10s 后，施加均值为0、方差为0.01的白噪声 为保持下水箱液位的稳定， 设计中采用闭环系统， 将下水箱液位信号经水位检测器送至 控制器（PID ）,控制器将实际水位与设定值相比较， 产生输出信号作用于执行器 （控制 阀）， 从而改变流量调节水位。当对象是单水箱时，通过不断调整 PID 参数，单闭环控制系统理 论上可以达到比较好的效果，系统也将有较好的抗干扰能力。该设计对象属于双水箱系统， 整个对象控制通道相对较长， 如果采用单闭环控制系统， 当上水箱有干扰时，此干扰经过控 制通路传递到下水箱，会有很大的延迟， 进而使控制器响应滞后，影响控制效果，在实际生 产中，如果干扰频繁出现，无论如何调整 PID 参数，都将无法得到满意的效果。考虑到串 级控制可以使某些主要干扰提前被发现，及早控制，在内环引入负反馈，检测上水箱液位, 将液位信号送至副控制器，然后直接作用于控制阀，以此得到较好的控制效果。 设计中，首先进行 单回路闭环系统 的建模，系统框图如下： 可发现，在无干扰情况下，整定主控制器的 PID 参数，整定好参数后，分别改变 P 、I 、 D 参数，观察各参数的变化对系统性能的影响；然后加入干扰（白噪声） ，比较有无干扰两 （下水箱传递函数）