基于S7-200PLC的水箱液位控制系统设计
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摘要
随着微处理器、计算机和数字通讯技术的快速发展，计算机控制系统在工业领域的应用越来越多广泛，它的重要性也越来越受到人们的肯定。
基于MCGS和S7-200PLC的液位比值控制系统就是组态软件和可编程序控制器（PLC）联合应用的实例。在这个设计中，利用MCGS组态软件对数据、图形进行组态，进而做出上下水箱的动态仿真画面。然后PLC进行数据采集、处理并与MCGS平台进行通讯，从而对液位比值对象进行全面监控。
本设计采用了SIEMENS（西门子）公司的S7-200系列进行程序的编写。将编写正确的PLC程序与在MCGS组态软件下做出的动态界面进行动态连接，在经过检查证明组态的设置没有错误后，进入MCGS的运行环境，可以在MCGS运行环境下看到液位的实时曲线的变化输出情况，随时对水箱的液位状况进行调整和监测。在运行环境中可以通过鼠标在线的改变PID的参数设定值来实现对上水箱的液位调节和控制，使系统达到要求值，从而大大提高了工作效率。
关键词液位比值；PLC；MCGS
Abstract
Along with fast development of the microprocessor，the computer and the digital communication technology，the computer control system is more and more widely applied in the field of industry，and its importance is also increasingly affirmed.
Fluid-level-ratio control system based on MCGS and S7-200 PLC is the application model combining the configuration software with PLC. In this design，MCGS is applied for data and graphic configuration; there by a dynamic display picture with real-time feature is created. Then PLC acquires and processes data from the sensors，and communicates with MCGS platform，thus makes the fluid-level-ratio object supervised and controlled totally.
The project uses S7-200，a series of PLC produced by SIEMENS，to make programming. The correct PLC code is dynamically lined to the real-time picture created by MCGS，then switches to MCGS running environment after correct configuration，thus the change tendency of the levels can be viewed on the screen to make the real-time adjustment and supervision of the level. Under running environment，PID parameters will be tuned on line so as to take the best control of the levels of water tanks with the system operating at the given point and high efficiency.
Keywords Fluid-Level-Ratio PLC MCGS
目录
1 绪论 (1)
1.1 PLC的产生、定义及现状 (1)
1.1.1 PLC的产生、定义 (1)
1.1.2 PLC的发展现状 (1)
1.2 过程控制的发展 (2)
1.3 本文研究的目的、主要内容 (3)
1.3.1 本文研究的目的、背景和意义 (3)
1.3.2 本文研究的主要内容 (4)
2 西门子S7-200PLC介绍 (6)
2.1 S7-200PLC的结构 (6)
2.2 S7-200PLC的工作原理 (7)
2.3 S7-200PLC上控制算法的介绍 (7)
3 PLC控制方案设计 (9)
3.1 设计要求 (9)
3.2 系统设计 (9)
3.3 控制流程图 (10)
3.4 系统模块选择与地址分配 (10)
3.5 硬件设计 (11)
3.5.1 电气控制主接线图 (11)
3.5.2操作回路接线图 (11)
3.6 PLC编写程序 (12)
4 PID调节控制规律 (16)
4.1 PID调节的各个环节及其调节过程 (16)
4.1.1 比例控制及其调节过程 (16)
4.1.2 比例积分调节 (17)
4.1.3 比例积分微分调节 (17)
5 监控系统MCGS (19)
5.1 MCGS通用监控系统的构成和功能 (19)
5.2 MCGS组态操作结果 (20)
结论 (22)
心得 (23)
参考文献 (24)
1 绪论
1.1 PLC的产生、定义及现状
1.1.1 PLC的产生、定义
一、可编程控制器的产生
20世纪60年代，在世界技术改造的冲击下，要求寻找一种比继电器更可靠、功能更齐全、响应速度更快的新型工业控制器。1968年，美国最大的汽车制造商——通用汽车公司从用户角度提出了新一代控制器应具备的十大条件后，立即引起了开发热潮。
二、可编程控制器的定义
国际工委员会（IEC）曾于1982年11月颁布了可编程控制器标准草案第一稿，1985年1月又发表了第二稿，1987年2月颁布了第三稿。该草案中对可编程控制器的定义是“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术计算等面向用户的指令，并通过数字量和模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。
1.1.2 PLC的发展现状
20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。
上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，PLC逐渐进入过程控制领域，在某些应用上取代了在过程控制领域处于统治地位的DCS系统。
20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。
我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引
进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。可以预期，随着我国现代化进程的深入，PLC在我国将有更广阔的应用天地。
1.2 过程控制的发展
进入90年代以来，自动化技术发展很快，并取得了惊人的成就，已成为国家高科技的重要分支。过程控制是自动化技术的重要组成部分。在现代工业生产自动化中，过程控制技术正在为实现各种最优的技术经济指标、提高经济效益和劳动生产率、节约能源、改善劳动条件、保护环境卫生等方面起着越来越大的作用。
在本世纪40年代前后，工业生产大多处于手工操作的状态，人们主要是凭经验用人工去控制生产过程。生产过程中的噶参数靠人工观察，生产过程的操作也靠人工去执行。因此，当时的劳动效率是很低的。
40年代以后，生产自动化发展很快。尤其是近年来，过程控制技术发展更为迅速。纵观过程控制的发展历史，大致经历了下述几个阶段：
50年代前后，过程控制开始得到发展。一些工厂企业实现了仪表化和局部自动化。这是过程控制发展的第一阶段。这阶段主要的特点：检测和控制仪表普遍采用基地式仪表和部分组合仪表；过程控制结构大多数是单输入单输出系统；被控制参数主要是温度、压力、流量、液位四种参数；控制目的是保持这些参数的稳定，消除或减少对生产过程的主要扰动。
在60年代，随着工业生产的不断发展，对过程控制提出了新的要求；随着电子技术的迅速发展也为自动化技术工具的完善提供了条件，开始了过程控制的第二阶段。在仪表方面，开始大量采用单元组合仪表。为了满足定型、灵活、多功能的要求，有出现了组合仪表，它将各个单元划分为更小的功能块，以适应比较复杂的模拟和逻辑规律相结合的控制系统的需要。
70年代以来，随着现代工业生产的迅猛发展，仪表与硬件的开发，微型机算计的开发应用，使生产过程自动化的发展达到了一个新的水平。对全工厂或整个工艺流程的集中控制、应用计算机系统进行多参数综合控制，或者用多台计算机对生产过程进行控制和经营管理，是这一阶段的主要特征。过程控制发展到现代过程控制的新阶段，这是过程控制发展的第三阶段。在新型的自动化技术工具方面，开始采用微处理器为核心的智能单元组合仪表；在测量变送器方面，教为突出的成分在线检测与数据处理的应用日益广泛；在模拟式调节仪表方面，不仅Ⅲ型仪表产品品种增加，可靠性提高，而且是本质安全防爆，适应了各种复杂控制系统的要求。
1.3 本文研究的目的、主要内容
1.3.1 本文研究的目的、背景和意义
近年来，有关液位控制的形式及方法越来越多，技术性能也越发先进，自动化程度也有较大地提高。但就以各类型水罐、水池的液位控制来说，许多项目没有达到自动化的程度，有的在设计上虽然设置有较为精密仪表和其它电气设备，但是没有达到充分的开发和合理的配置，自动化程序较低，有许多电气及仪表装置，在系统中只起到了液位显示及报警功能，其液位控制全凭生产运行人员根据系统工艺流程，人为地手动或电动操作水罐或水池的进出口阀门来实现液位控制，使其液位保持在正常的生产状态范围内。由于受各工艺流程生产系统中的影响，液位的变化和稳定性也受到较大影响，为此生产运行人员在工作中要时时监测液位的变化，而不得有半点疏忽，这样就较大地增加了生产运行人员的劳动强度。
九十年代，计算机已渗透到工业、农业、国防、科研等部门及民用生活的各个方面，而工业生产过程计算机控制则是计算机技术应用的一个重要而有发展远景的领域。信息时代的今天，工控界正进行着一场新的革命，各种新型控制设备不断出现，产品的性能和可靠性不断提高，价格进一步下降。作为该领域的另一个重要组成部分工控软件，也受到越来越多的工程技术人员的重视，正在向着产业化方向发展。
工控软件的特点是开发周期长，被控对象复杂多样，且软件与具体工程和设备交织在一起。长期以来，软件的通用性和可维护性一直困扰着工程技术人员。设备管理人员或主要编程人员的变动将给控制系统的运行带来极大的不便，甚至影响其正常工作，许多企业决策者也对此表现出极大的关注。为改变这一状况，国内外许多专家、学者、工程技术人员对工控软件进行了积极的探索，然而目前的工控软件仍存在两方面的主要问题:一是工控软件缺乏通用性，工控公司只提供特定设备的驱动程序，一旦设备更新或变动，系统就必须重新设计；二是国外工控软件价格昂贵，使许多国内用户特别是高校及中小型企业难以接受，以至于不得不花费许多精力去开发各自专用的测控软件]2[。
组态软件是近几年来在工业自动化领域兴起的一种新型的软件开发工具，组态软件和其他工业控制软件一样向大型化和小型化发展。随着计算机软件的发展，其功能越来越强，迫使工业组态软件随之发展。成熟的商用软件技术如高级动画技术、分布式运算、大型数据库技术等逐渐在组态软件上得到应用。开发人员通常不需要编制具体的指令和代码，只要利用组态软件包中的工具，通过硬件组态(硬件配置)、数据组态、图形图像组态等工作
即可完成所需应用软件的开发工作，利用组态软件MCGS(Monitor and Control Generated System 通用监控系统)开发了液位监控系统，采用计算机采集、处理数据、根据MCGS的液位实时曲线输出来改变参数的值，使系统输出稳定到设定值，从而提高了工作效率。该系统性能稳定可靠、界面友好、扩充性强。用户在组态环境下进行系统配置，可创建或定义多个用户策略，并生成数据库文件进行数据处理。实践证明该系统可省去用户开发软件的费用和周期，只需极少的投入即可得到方便、美观、实用的组态软件。
目前，MCGS组态软件已经在石油、化工、电力等多种工程领域获得成功的应用。基于MCGS开发的液位监控系统。MCGS为用户提供了广泛的可选性，用双水箱系统组成液位比值前馈反馈复合控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率，大大减少了生产工作人员的劳动强度。
MCGS为用户提供了广泛的可选性：用双水槽系统可组合成单回路控制、串级控制、比值控制及前馈控制等多种控制系统，用MCGS可进行各种系统的组态的调试及各种系统参数的整定，极大地提高了参数整定过程的工作效率。
1.3.2 本文研究的主要内容
可编程程序控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）具有可靠性高、抗干扰能力强、功能丰富等强大优势，目前，随着大规模集成电路技术、计算机技术和通信技术等的发展，PLC在技术和功能上发生了飞跃。
PLC的应用十分广泛，涉及到过程控制的方方面面，已经成为目前自动化领域的主流控制系统。然而在控制策略上，它依然沿用传统的PID控制，许多开发商把PID算法做成模块，固化在PLC中。从目前的应用情况来看，PLC还大都只是承担最基本的控制功能，如顺序控制、数据采集和PID反馈控制。
工业过程的复杂性以及对于控制日益提高的要求，各种先进控制算法越来越多的深入到控制领域，随着越来越多的PLC产品生产出来，PLC控制系统越来越开放。但由于PLC 的编程目前还限于低级语言（如梯形图），所以，给在PLC上实现先进控制算法带来了困难。SIEMENS（西门子）在PLC的编程系统STEP7中提供了比较丰富的功能模块，使先进控制策略在S7-200的PLC上得到较好的实现。
本设计是从工业控制的实际应用角度出发，是通过一些PLC程序在PLC以及MCGS 组态软件上得以实现，提高和扩展了组态软件和PLC的应用水平和应用范围，大大提高了系统的控制水平。
本课题的设计是先通过工控组态软件MCGS在组态环境下做出一个关于上下水箱液
位控制的动态连接界面，接着应用SIEMENS（西门子）公司的S7-200系列进行程序的编写，在MCGS组态环境中设置完全正确的情况下将组态环境中的动态界面和编写的PLC 程序进行动态连接。在通讯接口设备通讯状况良好的条件下，操作人员只需要在电脑上进行一些参数数据的操作和改动就可以达到对上下水箱液位控制的目的。操作人员可随时通过动画界监测到上下水箱的液位变化情况，提高了安全性的同时也减少了生产工作人员的劳动强度。这对实现先进控制的工程化、实用化、转化社会生产力，对缩短控制系统开发周期，加快先进控制技术的广泛应用，提高我国的工业自动化水平有着重大意义]2[。
2 西门子S7-200PLC介绍
SIMATIC S7-200系列是西门子公司20世纪90年代投入市场的小型可编程序控制器，适用于各行各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中或相连成网络皆能实现复杂控制功能，其应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测、自动化控制有关的工业及民用领域。
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）便捷的操作；
（5）丰富的内置集成功能；
（6）实时特性；
（7）强劲的通讯能力；
（8）丰富的扩展模块。
2.1 S7-200PLC的结构
S7-200 PLC硬件系统的配置方式：主机中包含一定量的输入/输出点，同时还可以扩展I/O模块和各种功能模块。
一个完整的系统组成：
（1）基本单元包括CPU、存储器、基本输入/输出点和电源等，是PLC的主要部分。
（2）扩展单元是主机I/O点数量不能满足控制系统的要求时，用户可根据需要扩展各种I/O模块。
（3）特殊功能模块是当需要完成某些特殊功能的控制任务时，需要扩展功能模块，它们是完成某种特殊任务的一些装置。
（4）相关设备是为充分和方便的利用系统的硬件和软件资源而开发和使用的一些设备。
（5）工业软件是为更好的管理和使用这些设备而开发的与之配套的程序。
S7-200系列是专为工业场合设计，采用了典型的计算机结构，主要是由CPU、电源、存储器和专门设计的输入输出接口电路等组成。CPU一般由控制器、运算器和寄存器组成，
这些电路都集成在一个芯片上。CPU通过数据总线、地址总线和控制总线与存储单元、输入输出接口电路相连接。
存储器有两种类型：只读类型的存储器EEPROM和读写随机存储器RAM，它们集成在CPU模块内部。输入输出单元包含两部分：一是与被控设备相连的接口电路，另一部分是输入和输出的映像寄存器。输入输出接口电路都采用了电气隔离技术，具有很高的可靠性和极强的抗干扰能力。
2.2 S7-200PLC的工作原理
S7-200采用循环扫描方式，一个扫描周期一般包括五个阶段:输入处理、执行程序、处理通讯请求、执行CPU自诊断测试和写输出。
输入处理阶段对个数字量输入点的当前状态进行输入扫描，并将各扫描结果分别写入对应的映像寄存器中。
在执行程序阶段，CPU从第一条指令开始顺序取指令并执行，直到最后一条指令结束。执行指令时从映像寄存器中读取各输入点的状态，每条指令的执行是对各数据进行算术或逻辑运算，然后将运算结果送到输出映像寄存器中。
在扫描周期的信息处理阶段，CPU自动检测并处理各通讯端口接收到的任何信息。即检查是否有编程器、计算机等的通信请求，若有则进行相应处理，在这一阶段完成数据通讯任务。
CPU自诊断阶段，CPU检测主机硬件，同时也检查所有的输入输出模块的状态。如果发现异常，则停机并显示出错。若自诊断正常，继续向下扫描。
写输出阶段，CPU用输出映像寄存器中的数据几乎同时集中对输出点进行刷新，通过输出部件转换成被控设备所能接受的电压或电流信号，以驱动被控设备。扫描周期执行的任务依赖于CPU的工作模式，S7-200 CPU有两种操作模式：STOP模式和RUN模式。对于扫描周期，STOP模式和RUN模式的主要差别是在RUN模式下运行用户程序，而在STOP 模式下不运行用户程序。
2.3 S7-200PLC上控制算法的介绍
随着PLC技术不断增强，运行速度不断提高，不断可以完成顺序控制的功能，还可以通过PID指令完成复杂的闭环控制功能。PID指令的功能是进行PID计算，其指令格式如下：
PID指令梯形图
图2-1 PID梯形图
当EN有效时，根据PID参数表中的输入信息和组态信息，进行PID运算。PID指令的功能说明如下：
（1） TBL是参数表的首地址，是由变量寄存器VB指定的字节型数据；LOOP是回路号，是0～7 的常数。
（2）在一个应用程序中，最多可用8个PID控制回路，一个PID控制回路只能使用1条PID指令，每个PID控制回路必须使用不同的回路号。
（3）影响允许输出ENO正常工作出错条件为：SM1.1(溢出)，SM4.3(运行时间)，0006（间接寻址）
PID指令的参数表及初始化：
为执行PID指令，要对PID参数表进行初始化处理，即将PID参数表中的有关参数，按照地址偏移量写入到寄存器V中。一般是调用一个子程序，在子程序中对PID参数表进行初始化处理。以TBL为首地址的参数表中共包含9个参数，用于进行PID运行的监视和控制。在执行PID指令前，要建立一个PID参数表，PID参数表的格式如下：
3 PLC控制方案设计
3.1 设计要求
由于题目比较宽泛，没有一定的指标。所以对题目指标进行一下规定，具体内容如下：
图3-1水箱图
假设如上图的水箱，水箱高度为100米，给定水位为60米。由于水箱水位不能过高也不能过低，过高会造成危险，过低将导致供水不足。所以设置高低限报警，当水位超过60米百分之二时报警，此时切断水泵的运行；当水位低于60米百分之二时报警，此时要求水泵全速运行以加快供水，当水位在高低限之间时有PI调节器控制变频器工作，使水位维持在给定值60米附近。
3.2 系统设计
该系统是定值控制系统，由给定值（给定水位）和水箱的水位测量值进行比较，并将运算后的结果作为PI调节器的输入值，通过PI调节器的输出，去控制变频器工作，从而控制电机的转速即控制水泵的进水量，以达到对水位跟随定值控制的目的。系统结构图如下：
图3-2水箱液位控制系统方框图
图中的PID控制器采用PI算法，即将微分时间常数置零，测量变送器由液位计进行测量变送。
3.3 控制流程图
图3-3控制系统流程图
3.4 系统模块选择与地址分配
根据控制要求，水箱水位监测需要一个模拟量输入点；PLC控制变频器需要一个模拟量输出点；上下限报警需要两个数字量输出点。系统还需要有“手动/自动”切换，即在调试时，由现场手动操作水泵运行，正常生产时由PLC控制水泵运行，这两种状态的转换可通过接通或断开PLC控制回路来实现，设置一个数字量输入点。所以本系统需要5个数字量输出点、1个数字量输入点、1个模拟量输入点、1个模拟量输出点。
查S7-200PLC模块特征表，由于选用的是CPU226模块，本身具有24个数字量输入/ 16个数字量输出点，所以不需带数字量输入/输出扩展模块。另外还要选取模拟量输入/输出模块。EM235是具有4个模拟量输入通道/1个模拟量输出通道，对以本工程来说应该满足要求了，但如果只选1个EM235模块，那么系统中就只有一个模拟量输出通道，如果这一
通道一旦出现问题，那么系统就失去作用。所以改为选取一个具有4个模拟量输入通道的EM231模块和一个具有2个模拟量输出通道的EM232模块。
3.5 硬件设计
3.5.1 电气控制主接线图
电气接线图如下，电动机的工频运行和变频运行分别由接触器KM1、KM2控制，图中VVF代表变频器。L1、L2、L3为三根母线，N为零线，运行时QF接通与母线的连接，然后又PLC内部的程序根据判断条件选择性的接通KM1、KM2，以控制水泵的转速。
图3-4主电路图
3.5.2操作回路接线图
下图中SA是由I0.0控制的“手动/自动”转换开关。自动和手动运行两种状态相互互
锁。HL1、HL2分别代表高报警和低报警。
图3-5控制回路原理图3.6 PLC编写程序
（1）主程序：
（2）子程序Ai_in（将32位整数转换为0到1的实数）
（3）子程序Ao_out（将0到1的实数转化为32位整数）
（4）子程序PID_control
（5）注释：符号表
（6）偏移地址说明
4 PID调节控制规律
4.1 PID调节的各个环节及其调节过程
PID控制的原理和特点
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（P）控制
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。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。
（2）积分（I）控制
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，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。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。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
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组件（环节）或有滞后（delay）组件，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。这就是说，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。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
4.1.1 比例控制及其调节过程
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
课程：创新与综合课程设计 电子与电气工程学院实践教学环节说明书 题目名称水箱水位自动控制装置 学院电子与电气工程学院 专业电子信息工程 班级 学号 学生姓名 起止日期13周周一~14周周五
水箱液位控制系统是典型的自动控制系统，在工业应用上可以模拟水塔液位、炉内成分等多种控制对象的自动控制系统。 本次课程设计思路是以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本维持不变。 一、设计题及即要求 1、设计并制作一个水箱水位自动控制装置，原理示意图如下： 2、基本要求：设计并制作一个水箱水位自动控制装置。 （1）水箱1 的长×宽×高为50 ×40 ×40 cm；水箱2 的长
×宽×高为40×30 × 40 cm（相同容积亦可）；水箱1 的放在地面，水箱2 放置高度距地0.8-1.2m。 （2）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变， 误差≤1cm。 （3）水箱 2 中要求的水位高度及上下限可以通过键盘任意设置； （4）实时显示水箱2 中水位的实际高度和水泵、阀门的工作状态。 3、发挥部分： （1）在出水龙头各种开度状态下装置能够自动控制水箱 2 中水位的高度不变， 误差≤0.3 cm。 （2）由无线远程控制器实现基本要求，无线通讯距离不小于10 米。远程控 制器上能够同步实现超限报警显示。 （3）其他创新。 二、设计思路： 以单片机为控制中心，对水位传感器、电机驱动模块、按键及显示进行控制。通过按键设置水位传感器的位置，在水龙头及阀门的各种开度下，通过控制水泵工作或不工作来维持水箱二的液面高度基本
单位代码0 2 学号 分类号TH6 密级 课程设计说明书 水箱水位控制系统设计 院（系）名称机械工程学院 专业名称机械设计制造及其自动化学生姓名 指导教师 2015年10 月27 日
黄河科技学院课程设计任务书 机械工程学院机械系机械设计制造及其自动化专业12 级1 班学号1200000000 姓名指导教师 题目: 水箱水位控制系统设计 课程:单片机应用技术 课程设计时间2015 年10 月13 日至10 月27 日共 2 周课程设计工作内容与基本要求(设计要求、设计任务、工作计划、所需相关资料)（纸张不够可加页） 1. 设计要求 在高塔的内部我们设计一个简易的水位探测传感器用来探测三个水位，即低水位，正常水位，高水位。低水位时送给单片机一个高电平，驱动水泵加水，红灯亮；正常范围的水位时，水泵加水，绿灯亮；高水位时，水泵不加水，黄灯亮。 2. 设计任务与要求（完成后需提交的文件和图表等） 1〉系统硬件电路设计 根据该系统设计的功能要求选择所用元器件，设计硬件电路。要求用Proteus 绘制整个系统电路原理图。 2〉软件设计 根据该系统设计的功能要求进行软件设计，要求用VISIO软件绘制整个系统及各部分的软件流程图。并根据流程图编写程序并汇编调试通过。列出软件清单，软件清单要加以注释。 3〉Proteus仿真 用Proteus对系统软硬件进行仿真调试通过。 4〉软硬件实际调试 5〉编写设计说明书一份，内容包括任务书、设计方案分析、硬件设计部分要绘制整个系统电路原理图，对各部分电路设计原理做出说明。软件设计部分要绘制整个系统及各部分的软件流程图，并列出软件清单，软件清单要求加注释，并在各功能块前加程序功能注释。调试结果整理分析及设计调试的心得体会。3．工作计划（进程安排） 第1周基本完成软、硬件的设计（分散在教学过程中完成）。第二周2天绘
课题名称：水箱水位控制系统设计专业：电气工程及其自动化学号： 姓名：
水箱水位控制系统设计 摘要 本设计主要基于单片机的硬件电路设计,实现一种能够实现水位自动控制、具有自动保护、自动声光报警功能的控制系统。本控制系统由A/D转换部分、单片机控制部分、数码显示部分、电机驱动部分、电机控制部分等构成。同时对各个部分进行了详细的论述。在设计中对水塔水位控制原理进行分析,选用AT89C51单片机作为控制水塔水位的处理芯片,由AT89C51的P1口直接来控制.设计方案采用模块化程序设计方法,结合程序流程图,编写程序代码,最后利用KEIL公司的u Vision3软件及伟福仿真软件进行仿真实验,达到单片机自动控制水塔水位变化的目的. 关键词：单片机，水塔水位控制原理，AT89C51，伟福仿真软件
目录 前言 (1) 第1章设计内容 (2) 1.1 设计要求 (2) 1.2 方案设计 (2) 第2章硬件电路设计 (3) 2.1 系统框图设计 (3) 2.2 系统原理 (4) 第3章水塔水位控制系统的硬件电路设计 (5) 3.1 水位检测电路 (5) 3.2 水位显示电路 (5) 3.3电机控制电路 (6) 3.4振荡电路和复位电路 (7) 3.5声光报警电路 (7) 第4章软件程序设计 (8) 4.1 系统主程序流程图 (8) 4.2编写C程序 (9) 第5章硬件制作与调试 (10) 结论 (11) 附录 (12) 仿真总图 (12) 源代码 (13)
前言 水塔是在日常生活和工业应用中经常见到的蓄水装置，在我们的生活中起到了重要的作用，而水基于单片机的水塔水位控制系统使水塔水位自动保持在一定的位置，通过对其水位的控制对外供水，以满足需要。塔里面的水位控制是一个水塔发挥作用的关键。该系统使用水位传感器对水塔水位进行检测并将检测到的信号传给单片机来进行处理，通过调整定时器的定时时间来增大或者缩小占空比，并编写程序加以控制，从而实现电机的调速。最后，使用液晶屏显示当前水位状态以及电动机的转速。该系统通过了报警模块来实现了过低水位蜂鸣器鸣笛报警、过低警戒水位自动处理、正常水位蜂鸣器鸣笛报警以及正常水位处理。本系统适应在不同的用水场合下的用水速度需要，节省工作时间，提高了整体工作的效率，实现水塔水位的自动控制。 液位控制是工业控制中的一个重要问题，针对液位控制过程中存在大滞后、时变、非线性的特点，为适应复杂系统的控制要求，人们研制了种类繁多的先进的智能控制器，模糊PID控制器便是其中之一。模糊PID控制结合了PID控制算法和模糊控制方法的优点，可以在线实现PID参数的调整，使控制系统的响应速度快，过渡过程时间大大缩短，超调量减少，振荡次数少，具有较强的鲁棒性和稳定性，在模糊控制中扮演着十分重要的角色。
第一章液位自动控制系统原理 液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。 应用范围 在制浆造纸过程中涉及的所有池、罐、槽体液位自动控制。 图1.1 中，是控制器的传递函数，是执行机构的传递函数，是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属 于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控对象动态特性的了解。由此可见，在控制工程中，了解被控制的对象是必须首先做好的一项工作。
广西电力职业技术学院 毕业设计 题目名称水箱水位自动控制系统设计与实施 系（部）动力工程系 专业检测技术及应用 班级 1 1 1 5 学号 109111540 姓名谢城镔 指导教师梁云岳 广西电力职业技术学院教务科研处编制
摘要 随着科学技术的发展，电器控制技术在各领域，特别是在自动控制领域取得了长足的发展，有了越来越多的应用。PLC以可靠性高、灵活性强、易于扩展、通用性强、使用方便等优点不断发展，在处理速度、控制功能、通讯能力及控制领域等方面都有新的突破，成为工业自动化领域最重要、应用最广的控制设备之一，对国民经济建设有突出的贡献。近年来由于PLC与其他科学技术结合，使其在各个控制领域显示了较强的应用潜力和良好的应用前景。 本毕业设计采用PLC与继电器来实现水位的自动控制以及采用热电偶与压力变送器对温度、压力的监控，系统通过手自动控制，现场内控制与远程控制使其直观地表现出水箱水位自动控制系统的功能化与优良性。 关键字： PLC 水位自动控制热电偶压力变送器
目录 一前言 (3) 二设计方案 (4) （一）系统说明 (4) （二）工作原理及原理图 (6) （三）设备清单及I/O分配表 (7) 1 设备清单 (7) 2 I/O分配表............................................ (8) （四）主要设备及编程软件介绍 (9) 1 西门子PLC简介 (9) 2 V4.0 STEP 7 Micro SP7编程软件简介 (10) 3 组态王软件简介 (12) 三实施过程 (14) （一）水箱制作 (14) （二）管路连接 (14) （三）控制设备接线 (14) （四）控制组态界面设计 (15) （五） PLC程序设计 (16) （六）系统调试 (22) （七）存在问题及解决方法 (22) 四结论 (25) 五心得体会 (26) 致谢 参考文献与附录
过程控制系统课程设计 基于PID的上水箱液位控制系 统设计
一、课程设计任务书 1.设计容 针对某厂的液位控制过程与要现模拟控制，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ts≤120s； 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； 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。 3.参考资料 1.邵裕森,戴先中主编.过程控制工程(第2版).:机械工业.2003 2.亚嵩主编.过程控制实验指导书（校） 3.廖常初主编.PLC编程及应用(第2版).:机械工业.2007 4.吴作明主编.工业组态软件与PLC应用技术.:航空航天大
学.2007 4.设计进度（2010年12月27日至2011年1月9日） 时间设计容 2010年12月27日 布置设计任务、查阅资料、进行硬 件系统设计 2010年12月28日～ 2010年12月29日 编制PLC控制程序，并上机调试； 2010年12月30日～2010年12月31日利用MCGS组态软件建立该系统的工 程文件 2011年1月2日～2011年1月4日进行MCGS与PLC的连接与调试进行PID参数整定 2011年1月5日～2011年1月6日系统运行调试，实现单容水箱液体 定值控制 2011年1月7日～ 2011年1月9日 写设计报告书
科信学院 课程设计说明书（2012 /2013 学年第一学期） 课程名称：工业监控系统工程设计 题目：水箱液位监控系统设计 专业班级： 学生姓名： 学号： 指导教师：刘增环、段广玉、杜永等 设计周数： 2周 设计成绩： 2013年 1月 4日
目录 1 课程实际目的 (2) 2 课程设计征文 (2) 2.1监控组态软件的概念 (2) 2.2监控组态软件的组成及原理 (3) 2.3技术要求 (5) 2.4组态界面的建立 (5) 2.5变量组态 (5) 2.6动画连接 (7) 3动作脚本程序 (9) 3.1脚本程序 (10) 4课程设计总结或结论 (12) 5参考文献 (13)
1、课程设计目的 （1）了解过程控制实验装置的结构，了解实验的原理、实验过程、操作方法和控制算法。 （2）了解各路检测信号到远程数据采集模块的输入通道的构成，了解输入信号的有效范围和实际变化范围。了解远程数据采集模块各输出通道的构成，了解输出信号的有效范围。 （3）了解远程数据采集模块与计算机的连接方法和工作关系，了解所用的ICP-7017模拟量输入模块和ICP-7024模拟量输出模块的工作原理，性能指标和模拟量输入输出信号的编址。 （4）根据制定实验“上水箱中水箱液位串级控制实验”实验的需要开发计算机上的监控系统软件。 （5）撰写设计说明书。阐明使用到的各路输入输出信号的功能，画出系统电路原理图或结构图，说明监控软件使用的控制算法以及程序设计思路，并附组态软件脚本程序。 2、课程设计正文 2.1监控组态软件的概念 随着现代化生产过程控制技术飞速发展，生产装置大型化，生产过程连续化和自动化程度的不断提高，对过程工业生产的实时控制和监控的需求越来越高。当然，目前极为成熟的集散控制系统足以解决所有的控制要求。但是，出于成本及其他因素考虑，诸如控制点较少的小规模生产设备，动用大型的集散控制系统设备是耗资且繁琐的，这样，各种各样的监控组态软件便成为了解决这些问题的很好选择。迄今为止，监控组态软件已经得到了蓬勃的发展，技术以趋于成熟并已经成为工业自动化系统的必要组成部分，即“基本单元”或“基本元件”。作为自动化通用软件，监控组态软件始终处于“承上启下”的地位。它的控制品质及数据采集的实时性都可以很好的达到预期目标。正因如此，监控组态软件几乎已经应用于所有的工业信息化项目中了。力控监控组态软件作为占有国内市场的主要品牌之一，凭借着自身的许多优越性而越来越受到自动控制行业的关注，被更好的利用到实际生产实践当中去了。 “组态（configure）”的概念是伴随着集散控制系统（Distributed Control System, DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟识的。每套DCS都是比较通用的控制系统，可以应用到很多的领域，为了使用户在不需要编写程序的情况下便可以生成适合自己需求的应用系统，每个DCS厂商在DCS中都预装了系统软件和应用软件，其中的应用软
目录 1绪论 (1) 1.1计算机模拟控制系统 (1) 1.1.1系统的分类 (1) 1.1.2系统的数学模型 (1) 1.2计算机模拟控制系统 (1) 1.3数学模型及其建立方法 (2) 1.3.1数学模型的表达形式与对模型的要求 (2) 1.3.2建立数学模型的基本方法 (3) 2水箱水位系统概述 (5) 2.1水箱水位控制系统硬件设计 (5) 2.1.1有自平衡能力的单容元件 (6) 2.1.2电动机的数学模型 (6) 2.1.3减速器的传递函数 (7) 2.2系统的传递函数 (8) 2.2.1控制器的确定 (9) 2.3控制器的正反作用 (9) 3硬件电路 (11) 3.1控制系统的校正 (11) 3.2控制系统的稳态误差 (12) 4仿真软件介绍 (14) 4.1 MATLAB的启动和退出 (14) 4.1.1MATLAB操作桌面简介 (14) 4.1.2命令窗口菜单（Command Window）简介 (16) 4.2变量 (17) 4.3MATLAB的矩阵运算 (18) 4.4仿真 (19) 5结论 (20) 6参考文献 (21)
1绪论 1.1计算机模拟控制系统 计算机模拟控制系统是在自动化控制技术和计算机技术的飞速发展的基础上产生的，20世纪50年代中期，经典控制理论已经发展成熟，并在不少工程技术领域得到了成功的应用。随着复杂系统的设计和复杂控制规律的实现上很难满足更高的要求。现代控制理论的发展为自动控制系统的分析、设计与综合增添了理论基础，而计算机技术的发展为新型控制方法的实现提供了非常有效的手段，两者的结合极大的推动了自动控制技术的发展。进而计算机模拟控制系统广泛的应用于工厂生产，逐渐融入于生产中，各类大型工厂均离不开计算机控制系统。 1.1.1系统的分类 按系统性能分：线性系统和非线性系统；连续系统和离散系统；定常系统和时变系统；确定系统和不确定系统。 1、线性连续系统：用线性微分方程式来描述，如果微分方程的系数为常数，则为定常系统；如果系数随时间而变化，则为时变系统。今后我们所讨论的系统主要以线性定常连续系统为主。 2、线性定常离散系统：离散系统指系统的某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式。这类系统用差分方程来描述。 3、非线性系统：系统中有一个元部件的输入输出特性为非线性的系统。1.1.2系统的数学模型 在线性系统理论中，一般常用的数学模型形式有：传递函数模型（系统的外部模型）、状态方程模型（系统的内部模型）、零极点增益模型和部分分式模型等。这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。 1.2计算机模拟控制系统 模拟控制系统由给定输入、模糊控制器、控制对象、检测变送装置、反馈信号与给定输入的相加环节等组成。模拟控制系统的各处均为连续信号，在模拟系统中，给定值与反馈值经过比较器比较产生偏差，控制器对偏差进行调节计算，产生控制信号驱动执行机构，从而被控参数的值达到预期值。其典型结构如下图所示：
摘要 双容水箱液位控制系统是采用先进的控制算法完成对过程液位的控制的控制系统，它在饮料、食品加工、溶液过滤、化工生产等多种行业的生产加工过程中均有广泛应用。在本设计中充分利用自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术和自动控制技术，以实现对水箱液位的串级控制。首先对被控对象的模型进行分析，并采用实验建模法求取模型的传递函数。其次，根据被控对象模型和被控过程特性设计串级控制系统，采用动态仿真技术对控制系统的性能进行分析。然后，设计并组建仪表过程控制系统，通过智能调节仪表实现对液位的串级PID控制。最后，借助数据采集模块﹑MCGS组态软件和数字控制器，设计并组建远程计算机过程控制系统，完成控制系统实验和结果分析。 关键词：液位,模型,PID控制,仪表过程控制系统,计算机过程控制系统
Abstract Double tank water level control system is the use of advanced control algorithm of process liquid level control system, it is in the beverage, food processing, filtering solution, chemical production and other industries in the production process has been widely used. In the design of the full use of automation technology, computer technology, communication technology and automatic control technology, in order to achieve the water tank liquid level cascade control. Firstly, the object model is analyzed, and the experimental modeling method for model transfer function. Secondly, according to the controlled object model and the controlled process characteristic design of cascade control system, using dynamic simulation technology to the control system performance analysis. Then, design and construction process control instrumentation system, through the intelligent controller for liquid level cascade PID control. Finally, with the help of a data acquisition module, MCGS configuration software and digital controller, design and establishment of a remote computer process control system, complete control system experiment and result analysis Keywords:liquid level，model PID control，indicator process control system，computer process control system
自动控制系统课程设计 1、设计题目：水箱液位控制系统的设计及实物调试 2、设计目的 1、加强对自动控制原理这门课程的认识，初步认识工程设计方法。 2、通过对水箱液位控制系统的设计，进一步理解书本知识，提高实践能力，增强分析问题，解决问题的能力。 3、学习并掌握Matlab的使用方法，学会用Matlab仿真。 4、学会对仿真结果进行分析，计算，并应用到实践设计中去。 3、设计设备 1、ACCC—Ⅰ型自动控制理论及计算机控制技术实验装置 2、数字式万用表 3、示波器 4、MATLAB软件 4、设计任务 （1）复习有关教材、到图书馆查找有关资料，了解水箱液位控制系统的工作原理。 （2）总体方案的构思 根据设计的要求和条件进行认真分析与研究，找出关键问题。广开思路，利用已有的各种理论知识，提出尽可能多的方案，作出合理的选择。画出其原理框图。 （3）总体方案的确定 可从频域法、跟轨迹法分析系统，并确定采用何种控制策略，调整控制参数。（4）系统实现 搭建系统上的硬件电路，实现开环控制，记录实验数据。引入闭环控制，将设计好的控制策略实现其中，根据实际响应效果调整参数直至最优，并记录数据
5、设计要求 1．分析系统的工作原理，进行系统总体设计。 2．选择系统主电路各元部件，进行主电路设计，并完成系统调试。 3．构成开环系统，并测其动态特性。 4．测出各环节的放大倍数及其时间常数。 5．分析单闭环无差系统的动态性能。 6．比较开环时和闭环时的动态响应。 7．构成水箱液位闭环无静差系统，并测其动态性能指标和提出改善系统动态性能的方法，使得系统动态性能指标满足s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ。 6、MATLAB 软件仿真 6．1 软件仿真部分设计要求 1、参考文献【1】完成对电机的数学建模，拉普拉斯变换后得到系统的传递函数； 2、带入表中的水箱液位系统参数，求出系统的开环传递函数； 3、绘制出系统的开环传递函数的单位阶跃响应，分析系统的单位阶跃响应，得到相关性能指标； 4、分步骤实现系统的PID 校正，分别进行比例控制（P ）校正，比例微分控制（PD ）校正，比例积分控制（PI ）校正和比例积分微分控制（PID ）校正； 5、运用《自动控制原理》知识分析系统的性能特征，从阶跃响应性能指标，频域特性等角度分析系统校正前和校正后的性能； 6、设计后的系统满足如下性能指标：s t s t s r 5.0,2.0%,5%<<≤σ； 7、改变输入信号，将阶跃信号分别换成方波信号，信号的周期设置为4s ，幅值为5V 。 6．2 模型建立 1． “水箱系统”的液位控制工艺过程原理图 参考文献【1】，可以得到水箱液位控制系统的工艺过程原理图如图6.2.1所示
沈阳工程学院毕业设计(论文) 摘要 本设计以JBS-GK04型过程控制实验装置为基础，对双容水箱进行对象特性测试及液位控制。通过对双容水箱液位控制系统的分析建模，针对其对象特性，采用PID控制方式，构成了以上水箱液位为副调节参数、下水箱液位为主调节参数的液位控制系统，有效地克服了二次干扰以及双容水箱的容量滞后等问题，从而缩短了调节时间。利用北京亚控公司生产的组态王软件实施上位机界面组态，对系统进行实时地操作、监控。在控制过程中不需要下位机，通过在组太王软件工程浏览器中的命令语言编辑对话框里面输入PID控制源程序，实现计算机直接控制的方式，实现计算机与现场设备之间的数据交换。利用变频器使抽水泵工作在恒压供水的状态下，通过电动调节阀来实现控制目标。在对双容水箱液位控制系统进行参数整定时，以使调节过程稳、准、快为原则，从而得到适合的调节器参数。实验结果表明，系统实现了对过程参数的无稳态误差控制，具有良好的稳态性能和动态性能。 关键词: 液位；PID 控制；组态软件；参数整定
Abstract The design is based on the JBS-GK04 type of process control device for the testing object properties and level control on the two-tank. Through analysis and modeling for the two-tank water level control system, use of cascade PID control for its object properties and constitute a water level control system ,its deputy adjustable parameter is previous water level and the main adjustable parameters is under the tank's liquid level cascade control system. It overcomes the problems effectively about the second two-tank and capacity lagged behind and reduces the adjustment time. Use Configuration software which is generated by Beijing Asia's PC to implement the interface configuration, operate water level real-time and monitor the system. In the control process does not require the next crew, edit dialog box to enter the PID control inside source through the software engineering group in the browser command language to achieve direct control of the computer, And use the drive to work in the constant pressure water supply pumps in the state, through the electric control valve to achieve the control objectives. In two-tank water level control system parameters adjustment, follow the principle of steady, accurate, fast in adjustment process to get appropriate parameters. The experimental results show that the system of process parameters to achieve steady-state error-free control, with good steady state performance and dynamic performance. Keywords: LevelPID control; configuration software; parameter tuning
第一章水箱液位自动控制系统原理 液位自动控制是通过控制投料阀来控制液位的高低，当传感器检测到液位设定值时，阀门关闭，防止物料溢出；当检测液位低于设定值时，阀门打开，使液位上升，从而达到控制液位的目的。在制浆造纸工厂常见有两种方式的液位控制：常压容器和压力容器的液位控制，例如浆池和蒸汽闪蒸罐。液位自动控制系统由液位变送器（或差压变送器）、电动执行机构和液位自动控制器构成。根据用户需要也可采用控制泵启停或改变电机频率方式来进行液位控制。结构简单，安装方便，操作简便直观，可以长期连续稳定在无人监控状态下运行。 应用范围 在制浆造纸过程中涉及的所有池、罐、槽体液位自动控制。 图1.1 中，是控制器的传递函数，是执行机构的传递函数，是测量变送器的传递函数，是被控对象的传递函数。图5.1中，控制器，执行机构、测量变送器都属 于自动化仪表，他们都是围绕被控对象工作的。也就是说，一个过程控制的控制系统，是围绕被控现象而组成的，被控对象是控制系统的主体。因此，对被控对象的动态特性进行深入了解是过程控制的一个重要任务。只有深入了解被控对象的动态特性，了解他的内在规律，了解被控辩量在各种扰动下变化的情况，才能根据生产工艺的要求，为控制系统制定一个合理的动态性能指标，为控制系统的设计提供一个标准。性能指标顶的偏低，可能会对产品的质量、产量造成影响。性能指标顶的过高，可能会成不必要的投资和运行费用，甚至会影响到设备的寿命。性能指标确定后，设计出合理的控制方案，也离不开对被控动态特性的了解。不顾被控对象的特点，盲目进行设计，往往会导致设计的失败。尤其是一些复杂控制方案的设计，不清楚被控对象的特点根本就无法进行设计。有了正确的控制方案，控制系统中控制器，测量变送器、执行器等仪表的选择，必须已被控对象的特性为依据。在控制系统组成后，合适的控制参数的确定及控制系统的调整，也完全依赖与对被控
单容水箱液位控制系统辨识 一、单容水箱液位控制系统原理 单容水箱液位控制系统是一个单回路反馈控制系统, 它的控制任务是使水箱液位等于给定值所要求的高度; 并减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。单回路控制系统由于结构简单、投资省、操作方便、且能满足一般生产过程的要求, 故它在过程控制中得到广泛地应用。图1-1为单容水箱液位控制系统方块图。 当一个单回路系统设计安装就绪之后, 控制质量的好坏与控制器参数的选择有着很大的关系。合适的控制参数, 能够带来满意的控制效果。反之, 控制器参数选择得不合适, 则会导致控制质量变坏, 甚至会使系统不能正常工作。因此, 当一个单回路系统组成以后, 如何整定好控制器的参数是一个很重要的实际问题。一个控制系统设计好以后, 系统的投运和参数整定是十分重要的工作。图1-2是单容液位控制系统结构图。 图1-1 单容水箱液位控制系统的方块图系统由原来的手动操作切换到自动操作时, 必须为无扰动, 这就要求调节器的输出量能及时地跟踪手动的输出值, 而且在切换时应使测量值与
给定值无偏差存在。图1-2 是单容水箱液位控制系统结构图。 一般言之, 具有比例( P) 调节器的系统是一个有差系统, 比例度δ的大小不但会影响到余差的大小, 而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分( PI) 调节器, 由于积分的作用, 不但能实现系统无余差, 而且只要参数δ, Ti 选择合理, 也能使系统具有良好的动态性能。 图1-2 单容液位控制系统结构图 比例积分微分( PID) 调节器是在PI 调节器的基础上再引入微分D 的作用, 从而使系统既无余差存在, 又能改进系统的动态性能( 快速性、 稳定性等) 。在单位阶跃作用下, P 、 PI 、 PID 调节系统的阶跃响应分别如图1-3中的曲线①、 ②、 ③所示。 图1-3 P 、 PI 和PID 调节的阶跃响应曲线 二、 单容水箱液位控制系统建模 t(s) T( c).10e ss 231
水箱水位控制系统设计方案 1 绪论 1.1 水箱水位控制系统研究背景及意义 1.1.1 水箱水位控制系统研究背景 水是动植物体内和人的身体中不可缺少的物质，也可以说，如果没有水就没有生命的存在。同时，工农业生产中也不能离开水，水是工农业生产中的重要原料。在工农业的生产中，经常需要控制各类液体的水位。随着我国工业的迅猛发展，水位控制技术已被广泛应用到石油、化工、医药、食品等各行各业中。低温液体（液氧、液氮、液氩、液化天然气和液体二氧化碳等）得到广泛的应用，作为贮存低温液体的容器一定要保证能承受其载荷；在发电厂、炼钢厂中，保持正常的锅炉汽泡水位、除氧器水位、汽轮机凝气器水位、高、低压加热器水位等，是设备正常安全运行的保证；在教学与科研中，也经常遇到需要进行水位控制类的实验。 1.1.2 水箱水位控制系统研究意义 大型水箱是许多公司生产过程中必不可少的部件，它的性能和工作质量的优良不仅仅对生产有着巨大的影响，而且也关系着生产的安全问题。在原来的工厂里，对水箱的多数操作是由相应的人员进行操作的，这样原始的人工操作方式带来了很大的弊端，比如水位的控制，实时监控水箱的环境，夜间的监控等等，一旦操作员稍有疏忽，或者某个监则器件的损坏，都将带来无法弥补的损失，更严重的会危机到生产人员的人身安全。所以，对水箱的控制，如果能够使用精密而又会严格按照生产规定运行的自动化系统，就可以最大限度的避免事故的几率，同时也能节省资源，并有效地提高了生产效率。 如果从节约能源方面考虑，以往的人工控制在多数情况下，会造成资源的不必要浪费，而大部分原因都是水箱内部水位的情况没有及时反馈到操作员那里，从而使控制上有了一定的延迟，从而造成了水量过多或没有及时补水而导致的资源浪费
单容水箱液位控制系统的设计 摘要：本文根据液位系统过程机理，建立了单容水箱的数学模型。介绍了PID控制的基本原理及数字PID算法，并根据算法的比较选择了增量式PID算法。建立了基于Visual Basic语言的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。 关键字：单容水箱，水箱建模，液位控制，PID算法，增量式PID 一、前言 过程控制是自动技术的重要应用领域，它是指对液位、温度、流量等过程变量进行控制，在冶金、机械、化工、电力等方面得到了广泛应用。尤其是液位控制技术在现实生活、生产中发挥了重要作用，比如，民用水塔的供水，如果水位太低，则会影响居民的生活用水；工矿企业的排水与进水，如果排水或进水控制得当与否，关系到车间的生产状况；锅炉汽包液位的控制，如果锅炉内液位过低，会使锅炉过热，可能发生事故；精流塔液位控制，控制精度与工艺的高低会影响产品的质量与成本等。在这些生产领域里，基本上都是劳动强度大或者操作有一定危险性的工作性质，极容易出现操作失误，引起事故，造成厂家的的损失。可见，在实际生产中，液位控制的准确程度和控制效果直接影响到工厂的生产成本、经济效益甚至设备的安全系数。所以，为了保证安全条件、方便操作，就必须研究开发先进的液位控制方法和策略。 在本设计中以液位控制系统的水箱作为研究对象，水箱的液位为被控制量，选择了出水阀门作为控制系统的执行机构。针对过程控制试验台中液位控制系统装置的特点，建立了基于Visual Basic语言的PID液位控制模拟界面和算法程序。虽然PID控制是控制系统中应用最为广泛的一种控制算法。但是，要想取得良好的控制效果，必须合理的整定PID的控制参数，使之具有合理的数值。 二、单容水箱液位控制系统建模 2.1液位控制的实现 除模拟PID调节器外，可以采用计算机PID算法控制。首先由差压传感器检测出水箱水位；水位实际值通过单片机进行A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中；最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID 程序算法得到输出值，再将输出值传送到单片机中，由单片机将数字信号转换成模拟信号。最后，由单片机的输出模拟信号控制交流变频器，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。 2.2 被控对象 本设计探讨的是单容水箱的液位控制问题。为了能更好的选取控制方法和参数，有必要知道被控对象—上水箱的结构和特性。 由图2-1所示可以知道，单容水箱的流量特性： 水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。这样，当水箱 V开度适当，在不溢出的情况水位升高时，其出水量也在不断增大。所以，若阀 2 下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。
经验交流 Technical Communications 《自动化技术与应用"20l 0年第29卷第5期 基于P L C的污水泵站自动控制系统 王明军 (淮安同方水务有限公司工程技术部，江苏淮安223002) 摘要：本文介绍厂一种基于PLC的污水泵站水泵自动控制系统，给出了控制系统的硬件配置，PLC的梯形I割程序流程。该控制系 统软件设计合理，没有固定哪一台水泵为备用泵，而是让备用水泵跟其它工作水泵一样投入运行，实际上起到了三台水泵 互为备用效果。 关键词：PLC；泵站；梯形图程序 中图分类号：TM571．6l 文献标识码：B 文章编号：1003 7241(2010)05—0115—03 Automatic Wastewater PUmping Station Control System Based·-on PLC WANG Min-jun (Technical and Engineering Department of Huai觚Tongfang Water Co．Ltd．Human 223002 China) Abstract：This paper introduces a wastewater pumping station control system based On PLC Hardware configuration and PLC
ladder program is given．Thedesign is reasonabe．No pump is fixed in standby mood in this control system． Key words：programmable logic controller；pumping station；ladder program 1 引言 污水提升泵站是城市污水进入污水处理厂后第一 道处理环节，提升污水，给污水增加势能，后续工艺才能 进行下去；城市污水管网星罗棋布，也得靠污水提升泵站 来保证污水正常流淌。目前污水泵站水泵的自动控制 一种是在集水井安装超声波液位计，超声波液位计将集 水井中的水位信号送给PLC，由PLC自动控制水泵的运 行，另外一种控制方式是在集水井中安装水位开关，将水 位开关信号送给PLC，到预先设置好的水位后自动开／ 停污水泵【l I。污水泵站一般都配有备用水泵，以保证有 水泵检修时能确保污水的正常提升。备用水泵如果长 期在集水井中不运行，则电机的绝缘电阻会下降，影响 水泵的正常运行及寿命。本文讨论了一种污水泵站水 位开关自动控制系统，在本文所做的自控系统中，备用 泵跟其它泵一样投入运行，从一段较长时间来看，几台 泵运行时间均衡，起到了几台泵互为备用的效果，并做 收稿日期：2 o 09—1 2一o 7 出了电气控制线路(见图I)，PLC梯形图程序流程图及部 分梯形图程序(见图2，图3)。 某泵站配置如下：有三台同等容量的污水泵1号，2 号，3号，其中两台水泵的额定抽水能力能满足正常情况